KR20140111654A

KR20140111654A - 바이오매스 가공처리

Info

Publication number: KR20140111654A
Application number: KR1020147017091A
Authority: KR
Inventors: 마샬 메도프; 토마스 마스터맨; 마이클 핀
Original assignee: 질레코 인코포레이티드
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-09-19
Also published as: JP2019110917A; IN2014MN00992A; EP2794903B1; EP2794896B1; MX2014007578A; CN109251953A; WO2013096700A1; CN103998615A; KR102039757B1; AP2014007716A0; JP2015506167A; AU2012358378A1; PH12014501147A1; SG11201402951QA; AU2016273867A1; IL233251A0; SG11201402954PA; AP2014007715A0; AU2018200366A1; US8900841B2

Abstract

프럭토스, 예컨대, 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 재료로부터 유도된 프럭토스는, 예컨대, 생성물, 예컨대, 용매를 생산하기 위하여 이용, 예컨대, 발효된다.

Description

바이오매스 가공처리{BIOMASS PROCESSING}

관련 출원에 대한 교차 참조

본 출원은 미국 가특허출원 제61/579,559호(출원일: 2011년 12월 22일)의 이득을 주장한다. 상기 출원의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

기술 분야

본 발명은 바이오매스를 유용한 생성물로 전환시키는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 당, 예컨대, 프럭토스로부터의 생성물, 예컨대, 뷰탄올의 생산에 관한 것이다.

석유에 대한 수요가 증가함에 따라서, 바이오연료 및 생화학물질을 제조하기 위한 재생가능한 공급원료의 관심도 높아진다. 이러한 제조 공정을 위한 공급원료로서의 리그노셀룰로스 바이오매스의 이용은 1970년대 이래로 연구되어 왔다. 리그노셀룰로스 바이오매스는 풍부하고 재생가능하며 국내에서 생산되기 때문에 매력적이고, 식품 산업 용도와 경쟁하지 않는다.

두서너 가지 예를 들면, 농업용 잔류물, 목재 바이오매스, 도시 폐기물, 오일시드(oilseed)/케이크 및 해초를 포함하는, 많은 잠재적인 리그노셀룰로스 공급원료가 오늘날 이용가능하다. 현재, 이들 재료는 동물 사료, 퇴비 재료로서 이용되거나, 열병합 설비에서 연소되거나, 혹은 매립된다.

리그노셀룰로스 바이오매스는, 식물 셀 벽이 강고하고 컴팩트한 구조를 지니므로 분해에 대해서 저항성(즉, 난분해성; recalcitrant)이다. 이 구조는 리그닌에 의해 둘러싸여 헤미셀룰로스 매트릭스 내에 매립된 결정성 셀룰로스 원섬유를 포함한다. 이 컴팩트한 매트릭스는 효소 및 기타 화학적, 생화학적 및 생물학적 처리과정에 의해 접근하기 어렵다. 셀룰로스 바이오매스 재료(예컨대, 실질적으로 모든 리그닌이 제거된 바이오매스 재료)는 효소 및 다른 전환 과정에 더 접근가능할 수 있으나, 그렇기는 하지만, 천연 유래 셀룰로스 재료는 종종 가수분해 효소와 접촉될 때 (이론적 수율에 비해서) 낮은 수율을 지닌다. 리그노셀룰로스 바이오매스는 효소 공격에 훨씬 더 난분해성이다. 또한, 각 유형의 리그노셀룰로스 바이오매스는 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌의 그 자체의 특이적인 조성을 지닌다.

리그노셀룰로스 바이오매스로부터 구조적 탄수화물을 추출하기 위하여 많은 방법이 시도되어 왔지만, 이들은 너무 값비싸거나, 너무 낮은 수율을 생산하거나, 얻어지는 생성물 중 바람직한 화학물질을 남기거나, 또는 간단히 당을 분해시킨다.

재생가능한 바이오매스 공급원으로부터의 단당류는 석유 및 기타 화석 공급원료를 대체, 보충 혹은 치환함으로써 화학적 및 연료 산업의 토대로 될 수 있었다. 그러나, 이들 단당류를 허용가능한 순도와 가격으로 양산에 이용가능하게 만들 기술을 개발할 것이 요구되고 있다.

본 명세서에서는, 바이오매스의 당화 효율을 증가시키는 방법이 제공된다. 특히, 효율은 효소 반응의 부정적인 피드백 억제를 회피함으로써 달성될 수 있다.

일 양상에 있어서, 본 발명은, 생성물을 생산하는 방법을 특징으로 하되, 해당 방법은 바이오매스를 당화시키고 당화된 바이오매스를 이성질체화제(isomerization agent)와 접촉시킴으로써 프럭토스를 생산하는 단계, 및 프럭토스를 미생물 및/또는 효소를 이용해서 생성물로 전환시키는 단계를 포함한다.

몇몇 구현예에 있어서, 바이오매스는 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 재료를 포함한다. 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 바이오매스는, 예를 들어, 전자 충격(bombardment with electrons), 초음파처리, 산화, 열분해, 증기 폭발(steam explosion), 화학적 처리, 기계적 처리, 동결 분쇄 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 처리 방법을 이용해서, 당화에 대한 그의 난분해성(recalcitrance)을 저감시키도록 처리된다.

이성질체화제는, 예를 들어, 아이소메라제(isomerase), 예컨대, 자일로스 아이소메라제일 수 있다.

몇몇 구현예에 있어서, 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 바이오매스는 종이, 종이제품, 폐지, 제지용 펄프, 색소지, 적재지(loaded paper), 코팅지, 충전 종이, 잡지, 인쇄물, 프린터 용지, 다중코팅지, 명함 용지, 카드보드, 보드지, 목면, 목재, 파티클 보드, 산림 폐기물, 톱밥, 포플러 나무, 목재 칩, 목초, 지팽이풀, 억새, 코드 그래스(cord grass), 흰줄갈풀(reed canary grass), 곡물 잔류물, 왕겨, 귀리 껍질, 밀겨(wheat chaff), 보리 겨(barley hull), 농산물 폐기물, 사일리지, 카놀라짚, 밀짚(wheat straw), 보리짚, 귀리짚, 볏짚, 황마, 대마, 아마, 대나무, 사이잘, 마닐라삼, 옥수수 속대, 옥수수 대, 대두 여물, 옥수수 섬유, 알팔파, 건초, 코코넛 헤어, 당 가공처리 잔류물, 버개스(bagasse), 사탕무우, 용설란 버개스, 조류(algae), 해초, 거름, 하수, 아라카차, 메밀, 바나나, 보리, 카사바, 칡, 안데스괭이밥, 사고, 수수, 감자, 고구마, 타로, 얌, 콩, 잠두, 렌즈콩, 완두, 공업용 폐기물, 및 이들의 임의의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다.

몇몇 경우에, 미생물은 클로스트리듐 종(Clostridium spp)의 균주를 포함한다. 예를 들어, 미생물은 클로스트리듐 사카로퍼뷰틸아세토니쿰(C. saccharoperbutylacetonicum), 예컨대, 클로스트리듐 사카로퍼뷰틸아세토니쿰(C. saccharoperbutylacetonicum) 균주 ATCC 27021 또는 클로스트리듐 사카로퍼뷰틸아세토니쿰(C. saccharoperbutylacetonicum) 균주 ATCC 27022일 수 있다.

생성물은 용매, 예컨대, 아이소뷰탄올 또는 n-뷰탄올과 같은 알코올을 포함할 수 있다.

본 명세서에 기재된 몇몇 실시형태에 있어서, 뷰탄올 등과 같은 생성물이 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 재료로부터 유도된 프럭토스 등과 같은 당으로부터 생산되는 것이 일반적으로 바람직하지만, 다른 공급원으로부터의 프럭토스가 이용될 수도 있다.

본 발명은 이 발명의 내용 부분에 개시된 실시형태로 제한되지 않는 것임이 이해되어야 하고, 또한 특허청구범위에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 변형도 커버하도록 의도된다.

이상의 설명은, 동일한 참조 부호가 상이한 도면들을 통해서 동일 부분을 지칭하고 있는 첨부 도면에 예시된 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시형태의 이하의 더욱 특별한 설명으로부터 명백해질 것이다. 도면은 반드시 일정 척도로 되어 있을 필요는 없고, 대신에 본 발명의 실시형태들을 예시할 때 강조되어 있을 수 있다.
도 1은 셀룰로스의 글루코스로의 효소에 의한 가수분해를 예시한 다이어그램이다. 셀룰로스 기질(A)은 엔도셀룰라제(i)에 의해 셀룰로스(B)로 전환되고, 이 셀룰로스는 엑소셀룰라제(ii)에 의해 셀로바이오스(C)로 전환되며, 셀로바이오스는 셀로비아제(베타-글루코시다제)(iii)에 의해 글루코스(D)로 전환된다.
도 2는 바이오매스 공급원료를 1종 이상의 생성물로 전환하는 것을 예시한 흐름 다이어그램이다. 공급원료는 (예컨대, 그의 크기를 저감시키기 위하여) 물리적으로 전처리되고(200), 선택적으로 그의 난분해성을 저감시키기 위하여 처리되며(210), 당화되어 당 용액을 형성하고(220), 이 용액은 (예컨대, 파이프라인, 레일카에 의해) 제조 공장으로 수송되며(또는 당화가 도중에 수행된다면, 공급원료, 효소 및 물이 수송됨)(230), 당화된 공급원료는 목적으로 하는 생성물(예컨대, 알코올)을 생성하기 위하여 바이오-가공처리되고(240), 생성물은 최종 생성물을 생산하기 위하여 예컨대 증류에 의해 더욱 가공처리될 수 있다(250). 난분해성을 위한 처리는, 리그닌 함량(201)을 측정하고 공정 파라미터를 설정 혹은 조정함으로써 변경될 수 있다(205). 공급원료(220)를 당화시키는 것은 공급원료를 배지(medium) 및 효소(221)와 혼합함으로써 변경될 수 있다.
도 3은 글루코스 및 프럭토스의 대사의 예비 단계를 도시한 다이어그램이다.
도 4는 프럭토스의 대사 동안 트라이글라이세라이드의 형성을 위한 대사 경로를 도시한 다이어그램이다.
도 5는 뷰탄올-생산 유기체용의 발효 경로를 도시한 다이어그램이다.

본 발명은 바이오매스 재료(예컨대, 바이오매스 재료 또는 바이오매스-유래 재료)를 가공처리하여 프럭토스 등과 같은 당을 얻는 방법에 관한 것으로, 이러한 당은 이어서 생성물을 생산하는데 활용될 수 있다. 예를 들어, 당, 예컨대 프럭토스는 용매, 예컨대, 알코올, 예를 들어 뷰탄올, 예컨대, 아이소뷰탄올 또는 n-뷰탄올을 생산하기 위하여 발효될 수 있다. 뷰티르산이 또한 생산될 수 있다. 본 발명자들은, 몇몇 경우에, 프럭토스 용액이 글루코스 용액보다 더 신속하고 더 양호한 수율로 알코올로 발효될 수 있는 것을 발견하였다.

어떠한 특정 이론에 얽매이는 일 없이, 용매(예컨대, 뷰탄올) 등과 같은 생성물은 용매-생산 유기체에 독성이고 프럭토스 등과 같은 일부 당을 이용한 대사는 글루코스 대사보다 더 빠르고 더 큰 정도로 보호 기질(예컨대, 트라이글라이세라이드)을 생산하는 것으로 여겨진다. 용매들의 제안된 효과는, 이들이 세포막과 상호작용하여 막 유동성을 파괴한다는 점이다. 용매, 예컨대, 뷰탄올은 또한 막에 대한 카오트로픽 효과(chaotropic effect)를 지니는 것으로 간주된다. 카오트로픽제(chaotropic agent)는 비공유결합력에 의해 매개된 분자내 상호작용을 안정화시키는 것을 간섭한다. 이들 효과로 인해, 용매는 활성 영양물질 수송, 막-결합된 효소 및 글루코스 흡수를 저해할 수 있다. 용매는 또한 막 pH 구배를 부분적으로 혹은 완전히 파괴하여, 세포내 pH 및 ATP 농도를 낮출 수 있다. 용매의 증가에 반응하여, 세포는 유동성을 유지하기 위하여 액체 조성물을 조절하는 것을 시도할 수 있다(Christopher A. Tomas, J. Bacteriol. 186:2006-2018 (2004)). 프럭토스 대사는 트라이글라이세라이드 등과 같은 지질의 증가를 용이하게 할 수 있다.

어떠한 특정 이론에 얽매이는 일 없이, 용매 생산을 위한 프럭토스 등과 같은 당의 유익은 해당작용의 조절과 관련될 수 있는 것으로 더욱 여겨진다. 이 조절의 목적은 유기체의 성장과 건강을 조절하기 위함이다. 프럭토스 등과 같은 몇몇 당은 글루코스에서처럼 이 세상에 자연적으로 풍부한 것은 아니므로, 그의 해당작용을 억제하기 위한 조절 기전도 또한 개발되어 있지 않은 것으로 여겨진다. 이것은 유기체에 의해 프럭토스 등과 같은 당의 보다 높은 흡수와 대사를 가능하게 할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 당화 동안, 셀룰로스 기질(A)은 랜덤한 개소에서 엔도글루카나제(i)에 의해 초기에 가수분해되어 올리고머성 중간생성물(예컨대, 셀룰로스)(B)을 생산한다. 이들 중간생성물은 이어서 셀룰로스 중합체의 말단으로부터 셀로바이오스를 생산하기 위하여 셀로바이오하이드롤라제 등과 같은 글루카나제(ii)를 외부 분열시키기 위한 기질이다. 셀로바이오스는 글루코스의 수-가용성 1,4-결합 이량체이다. 최종적으로 셀로비아제(iii)는 셀로바이오스(C)를 분할시켜 글루코스(D)를 수득한다. 따라서, 엔도글루카나제는 셀룰로스의 결정성 부분을 공격하여 엑소셀룰라제의 효율을 증대시켜 셀로바이오스를 생산하는데 특히 효과적이며, 이는 이어서 글루코스를 생산하기 위하여 셀로바이오스의 특이성을 필요로 한다. 그러므로, 셀룰로스 기질의 속성과 구조에 따라서, 3종의 상이한 효소의 양과 종류가 개질될 필요가 있을 수 있는 것은 명백하다.

알코올, 예컨대, 뷰탄올을 제조하는 방법이 도 2에 도시되어 있다. 알코올을 제조하는 방법은, 예를 들어, 선택적으로 공급원료를 기계적으로 처리하여, 예컨대, 이 처리 전 및/또는 후에, 그의 크기를 저감시키고(200), 선택적으로 공급원료를 다른 물리적 처리로 처리하여 그의 난분해성을 더욱 저감시키며(210), 이어서 효소 복합체를 이용해서 공급원료를 당화시켜 당 용액을 형성할 수 있다(220). 선택적으로, 상기 방법은 또한, 예컨대, 파이프라인, 레일카, 트럭 혹은 바지선에 의해, 용액(또는 당화가 도중에 수행된다면, 공급원료, 효소 및 물)을 제조 공장으로 수송하는 단계(230)를 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 당화된 공급원료는 더욱 바이오처리(예컨대, 발효)되어, 목적으로 하는 생성물, 예컨대, 알코올을 생산한다(240). 이 얻어진 생성물은 몇몇 구현예에서 예컨대 증류에 의해 더욱 가공처리되어(250), 최종 생성물을 생산한다. 공급원료의 난분해성을 저감시키는 하나의 방법은 공급원료의 전자 충격에 의한 것이다. 필요한 경우, 공급원료의 리그닌 함량을 측정하는 단계(201) 및 이 측정에 의거해서 공정 파라미터를 조절하는 단계(205)는, 미국 특허 출원 공개 제2010/0203495 A1호(발명자: Medoff 및 Masterman, 공개일: 2010년 8월 12일)에 기재된 바와 같은 방법의 각종 단계에서 수행될 수 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다. 공급원료를 당화시키는 단계(220)는 공급원료를 배지 및 효소와 혼합함으로써(221) 변경될 수도 있다.

도 2를 참조하여 위에서 논의된 방법의 단계들은 이제 더욱 상세히 설명될 것이고, 이어서 이 방법에 이용된 재료가 설명될 것이다.

프럭토스의 유용한 생성물로의 발효

당화에 의해 혹은 당화 후의 이성질체화에 의해 생성된 프럭토스 용액은 발효되어 알코올, 예컨대, 뷰탄올 혹은 뷰티르산을 생산할 수 있다.

도 3은 프럭토스와 글루코스 양쪽 모두에 대한 해당작용의 예비 단계를 도시한다. 발효는 다상 해당작용 반응을 포함하되, 그 중 예비 단계는 글라이세르알데하이드 3-포스페이트를 생산한다. 도 3에 도시된 바와 같이 그리고 이하에 상세히 논의된 바와 같이, 프럭토스로부터 글라이세르알데하이드 3-포스페이트의 생산은 글루코스로부터의 생산보다 적은 수의 반응을 수반하며, 이는 글루코스 발효에 비해서 프럭토스 발효에 의해 관찰되는 더 큰 효율에 기여할 수 있다.

도 3에서의 글루코스 경로를 참조하면, 글루코스는 ATP에 의한 헥소키나제의 작용에 의해 글루코스 6-포스페이트로 전환된다. 글루코스 6-포스페이트는 이어서 포스포헥소아이소메라제에 의해 프럭토스 6-포스페이트로 이성질체화되고, 그 후 포스포프럭토키나제 및 ATP의 작용에 의해 프럭토스 1,6-포스페이트로 더욱 전환된다. 이 시점에서, 이인산화된 당은 프럭토스 비스포스페이트 알돌라제에 의해 다이하이드록시아세톤 포스페이트와 글라이세르알데하이드 3-포스페이트로 분할된다. 다이하이드록시아세톤 포스페이트는 트라이오스 포스페이트 아이소메라제의 작용에 의해 글라이세르알데하이드 3-포스페이트로 이성질체화된다.

도 3을 재차 참조하면, 프럭토스의 해당작용에 대한 수개의 경로가 있다. 헥소키나제는 글루코스와 강력하게 반응하지만, 프럭토스에 대한 그의 친화도는 낮다. 따라서, 프럭토스는 헥소키나제 및 ATP에 의해 글루코스 6-포스페이트로 인산화될 수 있지만, 이 경로에 의한 해당작용에 대한 기여는 상당히 낮은 것으로 예상된다. 더 가능성 있는 경로는 프럭토키나제와 ATP의 작용에 의해 프럭토스의 인산화로 시작되어, 프럭토스 1-포스페이트를 부여한다. 프럭토스 1-포스페이트는 이어서 프럭토스 1-포스페이트 알돌라제에 의해 다이하이드록시아세톤 포스페이트와 D-글라이세르알데하이드로 분할된다. 글루코스 경로에서와 마찬가지로, 다이하이드록시아세톤 포스페이트는 트라이오스 포스페이트 아이소메라제에 의해 글라이세르알데하이드 3-포스페이트로 이성질체화된다. D-글라이세르알데하이드는 트라이오스키나제와 ATP에 의해 글라이세르알데하이드 3-포스페이로 전환된다.

발효에 이용되는 미생물은 바람직하게는 뷰탄올, 예컨대, 아이소뷰탄올 또는 n-뷰탄올을 생산하도록 선택된다. 적절한 미생물로는 이하의 재료 부문에 논의된 것들을 포함한다. 많은 뷰탄올-생산 유기체는 절대(obligate) 혐기성 생물이다.

프럭토스는, 도 4에 도시된 바와 같이, 해당작용의 부산물로서 트라이글라이세라이드의 생산을 기동시킬 수 있다. 트라이글라이세라이드의 형성에 대한 도 4에 도시된 최종 단계는 글라이세롤 3-포스페이트와 지방산 간의 에스터화를 수반한다. 지방산은 글라이세르알데하이드 3-포스페이트로부터 형성되며, 그의 형성은 위에 기재되어 있으며, 여기서는 다수의 중간생성물은 표시되어 있지 않다. 글라이세롤 3-포스페이트의 형성은 도 4에 도시되어 있고, 다이하이드록시아세톤 포스페이트에 대한 글라이세롤 3-포스페이트 데하이드로게나제의 작용으로부터 일어날 수 있다. 이것은 또한 D-글라이세르알데하이드에 대한 글라이세롤 데하이드로게나제의 작용을 통해 일어나, 글라이세롤을 형성할 수 있으며, 이것은 이어서 글라이세로키나제와 ATP에 의해 글라이세롤 3-포스페이트로 인산화된다. 글라이세롤 3-포스페이트의 형성은 글루코스로부터 다이하이드록시아세톤 포스페이트 중간생성물을 통해 가능하지만, 단지 프럭토스를 통해서 입수가능한 D-글라이세롤알데하이드를 통한 추가의 경로는 더 많은 이 중간생성물을 생산할 수 있다. 글라이세롤 3-포스페이트의 에스터화에 의해 생산된 트라이글라이세라이드는 뷰탄올의 독성 효과로부터 뷰탄올-생산 유기체를 보호함으로써 뷰탄올의 생산을 도울 수 있다.

도 5는 뷰탄올-생산 유기체(클로스트리듐 아세토뷰틸리시움(Clostridium acetobutylicium))에 대한 발효 경로를 도시하고 있다. 전형적인 발효에 있어서, 유도 기간 후에, 세포는 지수함수적인 성장 단계에 들어간다. 성장 단계에서, 뷰티레이트와 아세테이트가 세포 성장에 필요한 ATP와 함께 처음에 생산된다. 이 단계는 산생성 단계라고도 불린다. 이 접근법 및 정지 단계에서, 배양액은 주된 용매 생성물로서 아세톤, 뷰탄올 및 에탄올의 형성을 향하여 대사 이동을 받게 된다. 이 단계는 용매생성 단계라고도 불린다. 용매생성 단계 동안 및 후에, 세포들은 생장(vegetative), 사멸 및/또는 포자형성될 것이다. 도 5에서, 반응은 굵은 화살표로 표시되고 R1에서 R19까지의 기호로 표기된다. 산생성 반응은 R9 및 R18(PTA-AK 및 PTB-BK에 의해 촉매화됨)로, 각각 아세테이트와 뷰티레이트를 생성한다. 두 산은 R7 및 R17(R9 및 R18의 역 경로)을 통해 다시 동화되거나 또는 R8 및 R15(CoAT에 의해 촉매됨)를 통해 아세틸-CoA 및 뷰티릴-CoA로 직접 전환된다. 용매생성 반응은 R11, R16 및 R19(각각 AAD, AADC 및 BDH에 의해 촉매됨)로, 각각 에탄올, 아세테이트 및 뷰탄올을 생성한다. R14는 BHBD, CRO 및 BCD에 의해 촉매된 반응들로 이루어진 일괄적 반응이다(http://www.biomedcentral.com/1752-0509/5/S1/S12 "An improved kinetic model for the acetone-butanol-ethanol pathways of Clostridium acetobutylicum and model-based perturbation analysis").

발효에 대한 최적 pH는 약 pH 4 내지 7이다. 전형적인 발효 시간은 20℃ 내지 40℃ 범위의 온도에서 약 24 내지 168시간이지만, 호열성 미생물은 더 높은 온도를 선호한다. 혐기성 유기체에 대해서, 산소의 부재 하에, 예컨대, N₂, Ar, He, CO₂ 또는 이들의 혼합물 등과 같은 불활성 기체의 블랭킷 하에 발효를 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 이 혼합물은 발효의 일부 혹은 전부 동안 탱크를 통해 흐르는 일정한 퍼지의 불활성 기체를 지닐 수 있다.

제트 혼합 또는 기타 교반이 발효 동안 이용될 수 있고, 몇몇 경우, 당화 및 발효는 동일한 탱크 내에서 수행된다. 몇몇 실시형태에 있어서, 발효는 어떠한 기계적 혼합 없이도 수행된다.

영양물질, 예를 들어, USSN 61/365,493 및 US 6,358,717에 기재된 식품-기반 영양물질 패키지가 당화 및/또는 발효 동안 첨가될 수 있으며, 이들 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

미국 특허 출원 제12/374,549호 및 국제 특허 출원 공개 제WO 2008/011598호에 기재된 바와 같은 이동식 발효기가 이용될 수 있다. 마찬가지로, 당화 장비는 이동식일 수 있다. 또, 당화 및/또는 발효는 수송 동안 부분적으로 또는 전체적으로 수행될 수 있다,

바람직한 발효제

발효에 이용되는 미생물(들)은 천연 미생물 및/또는 공학적으로 조작된 미생물일 수 있다. 예를 들어, 미생물은 박테리아, 예컨대, 셀룰로스 분해 박테리아, 균류, 예컨대, 효모, 식물 또는 원생생물, 예컨대, 조류, 원충 또는 균류-유사 원생생물, 예컨대, 점균류일 수 있다. 유기체가 거부반응을 일으키지 않을 경우, 유기체의 혼합물이 이용될 수 있다.

적절한 발효 미생물은 프럭토스 및 바람직하게는 또한 다른 당, 예를 들어, 글루코스, 자일로스, 아라비노스, 만노스, 갈락토스, 올리고당 혹은 다당류를 알코올, 예컨대, 뷰탄올 또는 뷰탄올 유도체로 전환시키는 능력을 지닌다.

예시적인 미생물은 이하의 클로스트리듐의 균주를 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아니다:

클로스트리듐의 예시적인 균주
클로스트리듐 사카로퍼뷰틸아세토니쿰(C. saccharoperbutylacetonicum)		ATCC 27021
클로스트리듐 사카로퍼뷰틸아세토니쿰(C. saccharoperbutylacetonicum)		ATCC 27022
클로스트리듐 사카로뷰틸리쿰(C. saccharobutylicum)		ATCC BAA-117
클로스트리듐 푸니세움(C. puniceum)		ATCC 43978
클로스트리듐 베이젠키이(C. beijernckii)		ATCC 6014
클로스트리듐 아세토뷰틸리쿰(C. acetobutylicum)		NRRL B-527
클로스트리듐 아세토뷰틸리쿰(C. acetobutylicum)		NRRL B-591
클로스트리듐 베이제린키이(C. beijerinckii)		NRRL B593
클로스트리듐 아세토뷰틸리쿰(C. acetobutylicum)		NRRL B-596
클로스트리듐 베이젠키이(C. beijernckii)		ATCC 11914
클로스트리듐 아세토뷰틸리쿰(C. acetobutylicum		DSM 1732
클로스트리듐 베이제린키이(C. beijernckii)		NRRL B-592
클로스트리듐 아세토뷰틸리쿰(C. acetobutylicum)		ATCC 3625
클로스트리듐 사카로뷰틸리쿰(C. saccharobutylicum)		NRRL B-643
클로스트리듐 아세토뷰틸리시움(C. acetobutylicium)		NRRL B595
클로스트리듐 로세움(C. roseum)		NRRL 17797
클로스트리듐 악토뷰틸리쿰(C. actobutylicum)		ATCC 4259
클로스트리듐 아우란티뷰티리쿰(C. aurantibutyricum)		DSM 793
클로스트리듐 베이제린키이(C. beijernckii)		ATCC 309058
클로스트리듐 펠시네움(C. felsineum)		ATCC 17788
클로스트리듐 사카로뷰틸리쿰(C. acetobutylicum)		NRRL B-643

자일로스 아이소메라제

자일로스 아이소메라제(ES 5.3.1.5)는 D-자일로스와 D-자일룰로스 간에 왔다갔다 화학 반응을 촉매하는 효소이다. 이것은 체계적으로 글루코스 아이소메라제 및 D-자일로스 알도스-케토스 아이소메라제로서도 알려져 있고, 일군의 아이소메라제, 구체적으로는 알도스 및 케토스를 상호전환하는 분자내 산화환원효소에 속한다. 통상 사용 시의 기타 명칭은 D-자일로스 아이소메라제, D-자일로스 케토아이소메라제 및 D-자일로스 케톨-아이소메라제를 포함한다. 효소는 펜토스 및 글루쿠로네이트 상호 전환 그리고 프럭토스 및 만노스 대사에 참여한다. 이것은 고농도-프럭토스 옥수수 시럽의 제조에서 글루코스를 프럭토스로 전환하기 위하여 공업적으로 이용된다. 이것은 때로는 "글루코스 아이소메라제"로 지칭된다. "자일로스 아이소메라제"와 "글루코스 아이소메라제"는 본 명세서에서 상호 호환적으로 이용된다. 시험관내에서, 글루코스 아이소메라제는 글루코스 및 프럭토스의 상호전환을 촉매한다. 생체내에서, 이것은 자일로스 및 자일룰로스의 상호전환을 촉매한다.

몇몇 유형의 효소는 자일로스 아이소메라제로 간주된다. 첫번 째 종류는 슈도모나스 하이드로필리아(Pseudomonas hydrophila)로부터 생산된다. 이 효소는 자일로스보다 글루코스에 대한 친화도가 160배 낮지만 그럼에도 불구하고 글루코스의 존재 하에 프럭토스의 양을 증가시키는데 유용하다. 두번 째 종류의 효소는 에셰리키아 인터메디아(Escherichia intermedia)에서 발견된다. 이 효소는 포스포글루코스 아이소메라제(EC 5.3.1.9)이며, 아르세네이트의 존재 하에서만 비인산화된 당을 이성질체화시킬 수 있다. 글루코스 아이소메라제(EC 5.3.16)는 바실러스 메가테리움(Bacillus megaterium) AI로부터 단리될 수 있고, NAD 연결되며, 글루코스에 대해서 특이적이다. 유사한 활성을 지니는 다른 글루코스 아이소메라제는 파라콜로박테리움 에어로게노이데스(Paracolobacterium aerogenoides)로부터 단리된다. 헤테로락트산 박테리아에 의해 생성된 글루코스 아이소메라제는 유도자로서 자일로스를 필요로 하고, 고온에서 비교적 불안정하다. 자일로스 아이소메라제(EC 5.3.1.5)는 NAD+ 또는 ATP 등과 같은 값비싼 보조인자를 필요로 하지 않고 비교적 열 안정적이므로 상업적 응용을 위하여 가장 유용하다.

글루코스 아이소메라제는 통상 세포 간에 생산되지만 글루코스 아이소메라제의 세포외 분비의 보고가 알려져 있다. 이용되는 효소는, 악티노마이세스 올리보시네레우스(Actinomyces olivocinereus), 악티노마이세스 파에오크로모게네스(Actinomyces phaeochromogenes), 악티노플라네스 미소우리엔시스(Actinoplanes missouriensis), 에어로박터 에어로제네스(Aerobacter aerogenes), 에어로박터 클로아카에(Aerobacter cloacae), 에어로박터 레바니쿰(Aerobacter levanicum), 아트로박터 종(Arthrobacter spp.), 바실러스 스테아로써모필러스(Bacillus stearothermophilus), 바실러스 메가박테리움(Bacillus megabacterium), 바실러스 코아굴란스(Bacillus coagulans), 비피도박테리움 종(Bifidobacterium spp.), 브레비박테리움 인세툼(Brevibacterium incertum), 브레비박테리움 펜토소아미노애시디쿰(Brevibacterium pentosoaminoacidicum), 카이니아 종(Chainia spp.), 코리네박테리움 종(Corynebacterium spp.), 코리네박테리움 헬볼룸(Cortobacterium helvolum), 에셰리키아 프로이디이(Escherichia freundii), 에셰리키아 인터메디아(Escherichia intermedia), 에셰리키아 콜라이(Escherichia coli), 플라보박테리움 아보레센스(Flavobacterium arborescens), 플라보박테리움 데보란스(Flavobacterium devorans), 락토바실러스 브레비스(Lactobacillus brevis), 락토바실러스 부크네리(Lactobacillus buchneri), 락토바실러스 퍼멘티(Lactobacillus fermenti), 락토바실러스 만니토포에우스(Lactobacillus mannitopoeus), 락토바실러스 가이오니이(Lactobacillus gayonii), 락토바실러스 플라타럼(Lactobacillus plantarum), 락토바실러스 리코퍼시키(Lactobacillus lycopersici), 락토바실러스 펜토서스(Lactobacillus pentosus), 류코노스톡 메센테로이데스(Leuconostoc mesenteroides), 마이크로비스포라 로세아(Microbispora rosea), 마이크로엘로보스포리아 플라베아(Microellobosporia flavea), 마이크로모노스포라 코에룰라(Micromonospora coerula), 마이크로박테리움 종(Mycobacterium spp.), 노카르티아 아스테로이데스(Nocardia asteroides), 노카르티아 코랄리아(Nocardia corallia), 노카르티아 다손빌레이(Nocardia dassonvillei), 파라콜로박테리움 에어로게노이데스(Paracolobacterium aerogenoides), 슈도노카르디아 종(Pseudonocardia spp.), 슈도모나스 하이드로필리아(Pseudomonas hydrophila), 사르시나 종(Sarcina spp.), 스타필로코커스 비빌라(Staphylococcus bibila), 스타필로코커스 플라보비렌스(Staphylococcus flavovirens), 스타필로코커스 에키나투스(Staphylococcus echinatus), 스트렙토코커스 아크로모게네스(Streptococcus achromogenes), 스트렙토코커스 파에오크로모게네스(Streptococcus phaeochromogenes), 스트렙토코커스 프락리애(Streptococcus fracliae), 스트렙토코커스 로세오크로모게네스(Streptococcus roseochromogenes), 스트렙토코커스 올리바세우스(Streptococcus olivaceus), 스트렙토코커스 칼리포르니코스(Streptococcus californicos), 스트렙토코커스 베누세우스(Streptococcus venuceus), 스트렙토코커스 버지니알(Streptococcus virginial), 스트렙토마이세스 올리보크로모게네스(Streptomyces olivochromogenes), 스트렙토코커스 베네자엘리에(Streptococcus venezaelie), 스트렙토코커스 웨드모렌시스(Streptococcus wedmorensis), 스트렙토코커스 그리세올러스(Streptococcus griseolus), 스트렙토코커스 글라우세스센스(Streptococcus glaucescens), 스트렙토코커스 비키니엔시스(Streptococcus bikiniensis), 스트렙토코커스 루비기노서스(Streptococcus rubiginosus), 스트렙토코커스 아키나투스(Streptococcus achinatus), 스트렙토코커스 신나모넨시스(Streptococcus cinnamonensis), 스트렙토코커스 프라디애(Streptococcus fradiae), 스트렙토코커스 알버스(Streptococcus albus), 스트렙토코커스 그리세우스(Streptococcus griseus), 스트렙토코커스 히벤스 (Streptococcus hivens), 스트렙토코커스 마텐시스(Streptococcus matensis), 스트렙토코커스 무리너스(Streptococcus murinus), 스트렙토코커스 니벤스(Streptococcus nivens), 스트렙토코커스 플라텐시스(Streptococcus platensis), 스트렙토스포란기움 알붐(Streptosporangium album), 스트렙토스포란기움 오울가레(Streptosporangium oulgare), 써모폴리스포라 종(Thermopolyspora spp.), 써무스 종(Thermus spp.), 잔토모나스 종(Xanthomonas spp.) 및 지모모나스 모빌리스(Zymononas mobilis)를 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아닌 많은 박테리아으로부터 단리될 수 있다.

글루코스 아이소메라제는, 글루코스를 프럭토스로 전환하기 위하여, 용액 중에 유리 상태로 이용될 수 있거나 또는 담지체에 고정될 수 있다. 전체 세포 혹은 세포 유리 효소가 고정될 수 있다. 담지체 구조는 임의의 불용성 재료일 수 있다. 담지체 구조는 양이온성, 음이온성 혹은 천연 재료, 예를 들어, 다이에틸아미노에틸 셀룰로스, 금속 산화물, 금속 염화물, 금속 탄산염 및 폴리스타이렌일 수 있다. 고정화는 임의의 적절한 수단에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 고정화는 물 등과 같은 용매 중에서 담지체와 전체 세포 혹은 효소를 접촉시키고 나서 용매를 제거함으로써 달성될 수 있다. 용매는 임의의 적절한 수단, 예를 들어, 여과 혹은 증발 혹은 분무 건조에 의해 제거될 수 있다. 다른 예로서, 담지체와 함께 전체 세포 혹은 효소를 분무 건조시키는 것이 효과적일 수 있다.

글루코스 아이소메라제는 또한 이 처리과정 동안 효소를 생산하는 살아 있는 세포에 존재할 수도 있다. 예를 들어, 글루코스 아이소메라제 생산 박테리아는 에탄올 발효 박테리아와 함께 이 과정에서 공동 배양될 수 있다. 대안적으로, 글루코스-아이소메라제-생산 박테리아는 우선 기질과 접촉하고 나서 에탄올-생산 기질로 접종될 수 있다.

글루코스 아이소메라제는 또한 당의 추가의 유용한 전환도 가능하게 할 수 있는 세포 내에 존재하거나 해당 세포로부터 분비될 수 있다. 예를 들어, 글루코스 발효 종들은 글루코스 아이소메라제의 생산을 위하여 유전자를 포함하고 발현하도록 유전자 변형될 수 있다.

용매의 단리

발효 후, 얻어지는 유체는 임의의 유용한 방법을 이용해서 정제될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 유용한 방법은, 증류, 흡착, 액체-액체 추출, 투과추출(perstraction), 역삼투, 투석증발 및 가스 스트리핑이다(예컨대, 문헌[J. Ind. Microbiol. Biotechnol. (2009) 36:1127-1138] 참조).

바이오매스 재료

본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "바이오매스 재료"란 용어는 리그노셀룰로스, 셀룰로스, 전분 및 미생물 재료를 포함한다.

리그노셀룰로스 재료는, 목재, 파티클 보드, 산림 폐기물(예컨대, 톱밥, 포플러 나무, 목재 칩), 목초(예컨대, 지팽이풀, 억새, 코드 그래스, 흰줄갈풀), 곡물 잔류물(예컨대, 왕겨, 귀리 껍질, 밀겨, 보리 겨), 농산물 폐기물(예컨대, 사일리지, 카놀라짚, 밀짚, 보리짚, 귀리짚, 볏짚, 황마, 대마, 아마, 대나무, 사이잘, 마닐라삼, 옥수수 속대, 옥수수 대, 대두 여물, 옥수수 섬유, 알팔파, 건초, 코코넛 헤어), 당 가공처리 잔류물(예컨대, 버개스, 사탕무우박, 용설란 버개스), 조류, 해초, 거름, 하수, 및 이들의 임의의 혼합물을 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아니다.

몇몇 경우에, 리그노셀룰로스 재료는 옥수수 속대를 포함한다. 분쇄 혹은 햄머밀링된 옥수수 속대는 방사선 조사를 위하여 비교적 균일한 두께의 층으로 확산될 수 있고, 조사 후에는 추가의 가공처리를 위하여 배지에 분산되기 용이하다. 수확 및 수집을 용이하게 하기 위하여, 몇몇 경우에는, 옥수수대, 옥수수 알, 또한 몇몇 경우에는 심지어 식물의 뿌리계를 포함하여 옥수수의 전체 식물이 이용된다.

유리하게는, (질소 공급원, 예컨대, 요소 또는 암모니아 이외의) 추가적인 영양물질이 충분한 양의 옥수수 속대를 포함하는 옥수수 속대 또는 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 재료의 발효 동안 요구되지 않는다.

옥수수 속대는, 분쇄 전후에, 또한 반송되고 분산되기 더욱 용이하며, 건초 및 목초 등과 같은 기타 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 재료보다 공기 중에서 폭발성 혼합물을 형성하는 경향이 더 적어진다.

셀룰로스 재료는, 예를 들어, 종이, 종이제품, 폐지, 제지용 펄프, 색소지, 적재지, 코팅지, 충전 종이, 잡지, 인쇄물(예컨대, 서적, 카탈로그, 매뉴얼, 라벨, 캘린더, 그리팅 카드, 브로셔, 안내서, 신문 인쇄용지), 프린터 용지, 다중코팅지, 명함 용지, 카드보드, 보드지, 목면과 같은 높은 α-셀룰로스 함량을 지니는 재료, 및 이들의 임의의 혼합물을 포함한다. 예를 들어, 종이 제품은 미국 특허 출원 제13/396,365호("Magazine Feedstocks", Medoff 등, 출원일: 2012년 2월 14일)에 기재된 바와 같으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

셀룰로스 재료는 또한 탈-리그닌화된 리그노셀룰로스 재료를 포함할 수 있다.

전분 재료는, 전분 자체, 예컨대, 옥수수 전분, 밀 전분, 감자 전분 또는 쌀 전분, 전분의 유도체, 또는 전분, 예컨대, 식용 식품 제품 혹은 작물 등을 포함하는 재료를 포함한다. 예를 들어, 전분 재료는 아라카차, 메밀, 바나나, 보리, 카사바, 칡, 안데스괭이밥, 사고, 수수, 보통 가정용 감자, 고구마, 타로, 얌, 또는 1종 이상의 콩, 예컨대, 잠두, 렌즈콩 혹은 완두일 수 있다. 2종 이상의 전분 재료의 배합물도 또한 전분 재료이다. 전분, 셀룰로스 및 또는 리그노셀룰로스 재료의 혼합물도 이용될 수 있다. 예를 들어, 바이오매스는 식물 전체, 식물의 일부 혹은 식물의 상이한 부분들, 예컨대, 밀 식물, 목면 식물, 벼 식물 혹은 나무일 수 있다. 전분 재료는 본 명세서에 기재된 방법들의 어느 것에 의해서도 처리될 수 있다.

미생물 재료는, 탄수화물의 공급원(예컨대, 셀룰로스)을 제공하는 것이 가능하거나 이들을 함유하는 임의의 천연 유래 혹은 유전자 변형된 미생물 혹은 유기체, 예를 들어, 원생생물, 예컨대, 동물 원생생물(예컨대, 편모충류, 아메바류, 섬모류 및 포자충류 등의 원생동물) 및 식물 원생생물(예컨대, 알베오레이트(alveolate), 클로라라크니오식물(chlorarachniophyte), 크립토모나드(cryptomonad), 유글레나류(euglenid), 회조류(glaucophyte), 착편모조(haptophyte), 홍조류(red algae), 부등편모조류(stramenopiles) 및 녹색식물(viridaeplantae) 등의 조류)를 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 다른 예로는 해초, 플랑크톤(예컨대, 매크로플랑크톤, 메조플랑크톤, 마이크로플랑크톤, 나노플랑크톤, 피코플랑크톤 및 펨토플랑크톤), 식물플랑크톤, 박테리아(예컨대, 그람 양성균, 그람 음성균 및 극한성 생물), 효모 및/또는 이들의 혼합물을 포함한다. 몇몇 경우에, 미생물 바이오매스는 천연 공급원, 예컨대, 해양, 호수, 수역, 예컨대, 염수 혹은 담수로부터, 혹은 육지 상에서 얻어질 수 있다. 대안적으로 혹은 부가적으로, 미생물 바이오매스는 배양 시스템, 예컨대, 대규모 건식 및 습식 배양 시스템으로부터 얻어질 수 있다.

바이오매스 재료는 또한 기울, 및 재료의 유사한 공급원을 포함할 수 있다.

다른 실시형태에 있어서, 셀룰로스, 전분 및 리그노셀룰로스 공급원료 재료 등과 같은 바이오매스 재료는, 야생형 변종에 관하여 변형된 형질전환 미생물 및 식물로부터 얻어질 수 있다. 이러한 변형은, 예를 들어, 식물에서 목적으로 하는 특성을 얻기 위하여 선택 및 번식의 반복 단계를 통해서 이루어질 수 있다. 또한, 식물은 야생형 변종에 관하여 제거, 변형, 침묵 및/또는 부가된 유전자 재료를 지닐 수 있다. 예를 들어, 유전자 변형된 식물은 재조합 DNA 방법에 의해 생산될 수 있되, 여기서, 유전자 변형은 부모 변종으로부터의 특정 유전자를 도입하거나 변형시키는 것 또는 예를 들어 상이한 종의 식물 및/또는 박테리아로부터 식물에 특정 유전자 혹은 유전자들이 도입되는 형질전환 번식을 이용하는 것을 포함한다. 유전자 변종을 작성하는 다른 방법은 새로운 대립유전자가 내생 유전자로부터 인공적으로 작성되는 돌연변이 번식을 통하는 것이다. 인공 유전자는, 예를 들어, 화학적 돌연변이 유발원(예컨대, 알킬화제, 에폭사이드, 알칼로이드, 퍼옥사이드, 폼알데하이드를 이용해서), 방사선 조사(예컨대, X-선, 감마선, 중성자, 베타 입자, 알파 입자, 양자, 중양자, UV 방사선) 및 온도 충격 혹은 기타 외부 응력 및 후속의 선택 수법으로 식물 혹은 종자를 처리하는 것을 포함하는 각종 방법에 의해서 작성될 수 있다. 변형된 유전자를 제공하는 기타 방법은, 오류 발생이 쉬운 PCR 및 DNA 셔블링에 이어서, 목적으로 하는 변형된 DNA를 목적으로 하는 식물 혹은 종자에 삽입을 통하는 것이다. 종자 혹은 식물에서의 바람직한 유전자 변이를 도입하는 방법으로는, 예를 들어, 보균동물, 바이오리스틱스(biolistics), 인산칼슘 침강, 전기 영동, 유전자 스플라이싱, 유전자 침묵, 리포펙틴, 마이크로주입 및 바이러스 전달체의 이용을 포함한다. 부가적인 유전자 변형 재료는, 미국 특허 출원 제13/396,369호(출원일: 2012년 2월 14일)에 기재되어 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

본 명세서에 기재된 방법들 중 어느 것이라도 본 명세서에 기재된 임의의 바이오매스 재료의 혼합물로 실시될 수 있다.

바이오매스 재료 준비 -- 기계적 처리

바이오매스는, 예를 들어, 수분 함량이 약 35% 이하(예컨대, 약 20% 이하, 약 15% 이하, 약 10% 이하, 약 5% 이하, 약 4% 이하, 약 3% 이하, 약 2% 이하 혹은 심지어 약 1% 이하)인 건조 형태일 수 있다. 바이오매스는, 또한 습윤 상태로, 예를 들어, 습윤 고체, 슬러리 혹은 적어도 약 10 중량%(예컨대, 적어도 약 20 중량%, 적어도 약 30 중량%, 적어도 약 40 중량%, 적어도 약 50 중량%, 적어도 약 60 중량%, 적어도 약 70 중량%)의 고체를 지니는 현탁액으로서 전달될 수 있다.

본 명세서에 기재된 방법은 낮은 벌크 밀도(bulk density) 재료, 예를 들어, 약 0.75 g/㎤ 미만, 예컨대, 약 0.7, 0.65, 0.60, 0.50, 0.35, 0.25, 0.20, 0.15, 0.10, 0.05 혹은 그 이하, 예컨대, 0.025 g/㎤ 미만의 벌크 밀도를 지니도록 물리적으로 전처리된 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 공급원료를 이용할 수 있다. 벌크 밀도는 ASTM D1895B를 이용해서 결정된다. 간단히, 상기 방법은 기지의 부피의 계량 실린더에 샘플을 채우는 단계 및 해당 샘플의 중량을 얻는 단계를 포함한다. 벌크 밀도는 샘플의 중량(g)을 실린더의 기지의 부피(㎤)로 나눔으로써 산출된다. 필요한 경우, 낮은 벌크 밀도 재료는, 예를 들어, 미국 특허 제7,971,809호(Medoff)에 기재된 방법에 의해 치밀화될 수 있고, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

몇몇 경우에, 전처리 가공처리로는 바이오매스 재료의 스크리닝(screening)을 포함한다. 스크리닝은 목적으로 하는 개구 크기, 예를 들어, 약 6.35㎜(1/4 인치, 0.25 인치) 이하, (예컨대, 약 3.18㎜(1/8 인치, 0.125 인치) 이하, 약 1.59㎜(1/16 인치, 0.0625 인치) 이하, 약 0.79㎜(1/32 인치, 0.03125 인치) 이하, 예컨대, 약 0.51㎜(1/50 인치, 0.02000 인치) 이하, 약 0.40㎜(1/64 인치, 0.015625 인치) 이하, 약 0.23㎜(0.009 인치) 이하, 약 0.20㎜(1/128 인치, 0.0078125 인치) 이하, 약 0.18㎜(0.007 인치) 이하, 약 0.13㎜(0.005 인치) 이하, 또는 심지어 약 0.10㎜(1/256 인치, 0.00390625 인치) 이하를 지니는 메쉬 혹은 천공판을 통할 수 있다. 일 구성에 있어서, 목적으로 하는 바이오매스는 천공 혹은 스크린을 통과하므로, 천공 혹은 스크린보다 큰 바이오매스는 방사선 조사되지 못한다. 이들 보다 큰 재료는, 예를 들어, 분쇄에 의해 재가공처리될 수 있거나, 또는 이들은 간단히 가공처리로부터 제외될 수 있다. 다른 구성에 있어서, 천공보다 큰 재료는 방사선 조사되고, 보다 작은 재료는 스크리닝 과정에 의해 제거되거나 재활용된다. 이 종류의 구성에 있어서, 컨베이어 자체(예를 들어 컨베이어의 일부)는 천공되어 있을 수 있거나 또는 메시로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 하나의 특정 실시형태에 있어서, 바이오매스 재료는 습식일 수 있고, 천공 혹은 메쉬는 방사선 조사 전에 바이오매스로부터 물의 배출을 허용할 수 있다.

재료의 스크리닝은 또한 수동 방법에 의해, 예를 들어, 원치 않는 재료를 제거하는 조작자 혹은 메카노이드(mechanoid)(예컨대, 색, 반사율 혹은 기타 센서가 장착된 로봇)에 의해 행해질 수 있다. 스크리닝은 또한 자석이 반송된 재료 부근에 배치되어 자성 재료가 자기적으로 제거되는 자석 스크리닝에 의하는 것도 가능하다.

선택적 전처리 가공처리는 재료를 가열하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 컨베이어어의 일부가 가열된 영역을 통해 보내질 수 있다. 가열된 영역은, 예를 들어, IR 방사선, 마이크로파, 연소(예컨대, 가스, 석탄, 오일, 바이오매스), 저항성 가열 및/또는 유도 코일에 의해 작성될 수 있다. 열은 적어도 하나의 측면 혹은 하나보다 많은 측면으로부터 적용될 수 있고, 연속적이거나 주기적일 수 있으며, 단지 재료의 일부 혹은 재료 전부에 대해서 일 수 있다. 예를 들어, 반송 트로프(trough)의 부분은 가열 재킷의 사용에 의해 가열될 수 있다. 가열은, 예를 들어, 재료를 건조시킬 목적을 위한 것일 수 있다. 재료를 건조시킬 경우에, 이것은 또한 가열에 의해 혹은 가열 없이, 반송되는 바이오매스 상부에 및/또는 해당 바이오매스를 통해서 가스(예컨대, 공기, 산소, 질소, He, CO₂, 아르곤)의 이동에 의해 실시될 수도 있다.

선택적으로, 전처리 가공처리는 재료를 냉각시키는 것을 포함할 수 있다. 재료의 냉각은 미국 특허 제7,900,857호(Medoff)에 기재되어 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다. 예를 들어, 냉각은 반송 트로프의 하부로 냉각용 유체, 예를 들어 물(예컨대, 글라이세롤과 함께), 또는 질소(예컨대, 액체 질소)를 공급함으로써 행해질 수 있다. 대안적으로, 냉각용 가스, 예를 들어, 냉각된 질소는 바이오매스 재료 위로 혹은 반송 시스템 아래로 취입될 수 있다.

다른 선택적인 전처리 가공처리 방법은 재료를 바이오매스에 첨가하는 것을 포함할 수 있다. 추가의 재료는, 예를 들어, 반송되는 바이오매스 상에 재료를 샤워, 뿌리기 및 또는 주입함으로써 첨가될 수 있다. 첨가될 수 있는 재료로는, 예를 들어, 미국 특허 출원 공개 제2010/0105119 A1호(출원일: 2009년 10월 26일) 및 미국 특허 출원 공개 제2010/0159569 A1호(출원일: 2009년 12월 16일)에 기재된 바와 같은 금속, 세라믹 및/또는 이온을 포함하며, 이들 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다. 첨가될 수 있는 선택적 재료는 산 및 염기를 포함한다. 첨가될 수 있는 기타 재료는 산화제(예컨대, 과산화물, 염소산염), 중합체, 중합성 단량체(예컨대, 불포화 결합을 함유함), 물, 촉매 효소 및/또는 유기체이다. 재료는, 예를 들어, 순수한 형태로, 용매(예컨대, 물 혹은 유기 용매) 중 용액으로서 및/또는 용액으로서 첨가될 수 있다. 몇몇 경우에, 용매는 휘발성이고, 예를 들어, 앞서 기재된 바와 같은 가열 및/또는 가스 송풍에 의해, 증발시킬 수 있다. 첨가된 재료는 바이오매스 상에 균일한 코팅을 형성할 수 있거나 또는 상이한 성분들(예컨대, 바이오매스 및 추가 재료)의 균질 혼합물일 수 있다. 첨가된 재료는 방사선 조사의 효율을 증가시키거나, 방사선 조사를 댐핑시키거나 또는 조사 효율을 변화시킴으로써(예컨대, 전자빔으로부터 X-선 혹은 열로) 후속의 조사 단계를 변경시킬 수 있다. 이 방법은 조사에 대해 영향을 미치지 않을 수 있지만 추가의 하류 가공처리에 대해서 유용할 수 있다. 첨가된 재료는 예를 들어 분진 수준을 낮춤으로써 재료를 반송하는 것을 도울 수 있다.

바이오매스는 벨트 컨베이어, 공압 컨베이어, 스크류 컨베이어, 호퍼, 파이프에 의해, 수동으로 혹은 이들의 조합에 의해 컨베이어로 전달될 수 있다. 바이오매스는, 예를 들어, 이들 방법 중 어느 하나에 의해 컨베이어 상에 낙하, 주입 및/또는 배치될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 재료는, 낮은 산소 분위기를 유지하고/하거나 분진 및 미분말을 제어하기 위하여 폐쇄된 재료 분포 시스템을 이용해서 컨베이어에 전달된다. 현가되거나 공기 현탁된 바이오매스 미립자 및 분진은, (만약 이러한 장치가 재료를 처리하는데 이용된다면) 이들이 폭발 위험을 형성하거나 전자총의 창 호일(window foil)을 손상시키기 때문에 바람직하지 않다.

재료는 약 0.0312 내지 5 인치(예컨대, 약 0.0625 내지 2.000 인치, 약 0.125 내지 1 인치, 약 0.125 내지 0.5 인치, 약 0.3 내지 0.9 인치, 약 0.2 내지 0.5 인치, 약 0.25 내지 1.0 인치, 약 0.25 내지 0.5 인치, 0.100 +/- 0.025 인치, 0.150 +/- 0.025 인치, 0.200 +/- 0.025 인치, 0.250 +/- 0.025 인치, 0.300 +/- 0.025 인치, 0.350 +/- 0.025 인치, 0.400 +/- 0.025 인치, 0.450 +/- 0.025 인치, 0.500 +/- 0.025 인치, 0.550 +/- 0.025 인치, 0.600 +/- 0.025 인치, 0.700 +/- 0.025 인치, 0.750 +/- 0.025 인치, 0.800 +/- 0.025 인치, 0.850 +/- 0.025 인치, 0.900 +/- 0.025 인치, 0.900 +/- 0.025 인치의 균일한 두께를 형성하도록 평탄하게 되어 있을 수 있다.

일반적으로, 전자 빔을 통해 가능한 한 빨리 재료를 반송하여 처리량을 최대화하는 것이 바람직하다. 예를 들어 재료는 적어도 1 ft/분, 예컨대, 적어도 2 ft/분, 적어도 3 ft/분, 적어도 4 ft/분, 적어도 5 ft/분, 적어도 10 ft/분, 적어도 15 ft/분, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 ft/분의 속도로 반송될 수 있다. 반송 속도는 빔 전류에 관련되되, 예를 들어, ¼ 인치 두께의 바이오매스 및 100mA에 대해서, 컨베이어는 유용한 조사 선량을 제공하기 위하여 약 20 ft/분으로 이동할 수 있고, 50mA에서 컨베이어는 대략 동일한 조사 선량을 제공하기 위하여 약 10 ft/분에서 이동할 수 있다.

바이오매스 재료가 방사선 조사 영역을 통해 반송된 후에, 선택적 후처리 과정이 행해질 수 있다. 이 선택적 후처리 과정은, 예를 들어, 사전 방사선 조사 처리에 관하여 기재된 과정일 수 있다. 예를 들어, 바이오매스는 스크리닝, 가열, 냉각 및/또는 첨가제와의 조합이 행해질 수 있다. 방사선조사 후에 독특하게, 라디칼의 퀀칭(quenching)이 일어날 수 있으며, 예를 들어, 압력, 열 및/또는 라디칼 포촉제(radical scavenger)의 첨가를 이용해서 유체 혹은 가스(예컨대, 산소, 아산화질소, 암모니아, 액체)의 첨가에 의해, 라디칼의 퀀칭이 일어날 수 있다. 예를 들어, 바이오매스는 에워싼 컨베이어로부터 반송되고 퀀칭이 일어나는 가스(예컨대, 산소)에 노출되어, 카복실산기를 형성할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 바이오매스는 반응 가스 혹은 유체에 대해서 방사선 조사 동안 노출된다. 방사선 조사된 바이오매스를 퀀칭하는 것은 미국 특허 제8,083,906호(Medoff)에 기재되어 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

필요한 경우, 바이오매스 재료의 난분해성을 더욱 저감시키기 위하여 방사선 조사에 부가해서 하나 이상의 기계적 처리가 이용될 수 있다. 이들 과정은 방사선 조사 전, 동안 혹은 후에 적용될 수 있다.

몇몇 경우에, 기계적 처리는 입수된 대로의 공급원료의 초기 준비, 예컨대, 분쇄, 예컨대, 절삭, 연마, 전단, 분체화 혹은 저미기 등에 의한 재료의 크기 감소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 경우에, 느슨한 공급원료(예컨대, 재생지, 전분 재료 혹은 지팽이풀)는 전단 혹은 세단(shredding)에 의해 준비된다. 기계적 처리는 바이오매스 재료의 벌크 밀도를 감소, 바이오매스 재료의 표면적을 증가 및/또는 바이오매스 재료의 하나 이상의 치수를 감소시킬 수 있다.

대안적으로, 또는 부가적으로, 공급원료 재료는 우선 다른 물리적 처리 방법, 예컨대, 화학적 처리, 방사선 조사, 초음파처리, 산화, 열분해 혹은 증기 폭발 중 하나 이상에 의해 물리적으로 처리되고 나서 기계적으로 처리될 수 있다. 이 수순은 다른 처리들, 예컨대, 방사선 조사 혹은 열분해 중 하나 이상에 의해 처리된 재료가 더 취성으로 되는 경향이 있으므로 기계적 처리에 의해 재료의 구조를 더욱 변화시키기 용이해질 수 있기 때문에 유리할 수 있다. 예를 들어, 공급원료 재료는 본 명세서에 기재된 바와 같은 컨베이어를 이용해서 이온화 방사선을 통해 반송되고 나서 기계적으로 처리될 수 있다. 화학적 처리는 리그닌의 일부 혹은 전부를 제거(예를 들어 화학적 펄핑(chemical pulping))할 수 있고, 또한 재료를 부분적으로 혹은 완전히 가수분해시킬 수 있다. 이 방법은 또한 사전 가수분해된 재료와 함께 이용될 수도 있다. 이 방법은 또한 사전 가수분해되지 않은 재료와 함께 이용될 수도 있다. 이 방법은 가수분해된 재료와 가수분해되지 않은 재료의 혼합물과 함께, 예를 들어, 약 50% 이상의 가수분해되지 않은 재료, 약 60% 이상의 가수분해되지 않은 재료, 약 70% 이상의 가수분해되지 않은 재료, 약 80% 이상의 가수분해되지 않은 재료 또는 심지어 90% 이상의 가수분해되지 않은 재료와 함게 이용될 수 있다.

가공처리 시 초기에 및/또는 말기에 수행될 수 있는 크기 저감에 부가해서, 기계적 처리는 또한 물리적 처리 동안 바이오매스 재료를 "개방"(opening up), "응력 부여"(stressing), 파괴 및 파쇄하여, 사슬 절단되고/되거나 결정 구조가 파괴되기 더욱 쉬운 재료의 셀룰로스로 만드는 데 유리할 수 있다.

바이오매스 재료를 기계적으로 처리하는 방법으로는, 예를 들어, 밀링 혹은 분쇄를 포함한다. 밀링은, 예를 들어, 밀, 볼 밀, 콜로이드 밀, 코니컬 혹은 콘 밀, 디스크 밀, 에지 밀, 윌리 밀(Wiley mill), 제분용 밀 혹은 기타 밀을 이용해서 수행될 수 있다. 분쇄는, 예를 들어, 커팅/충격식 그라인더를 이용해서 수행될 수 있다. 몇몇 예시적인 그라인더로는 스톤 그라인더, 핀 그라인더, 커피 그라인더 혹은 버 그라인더(burr grinder)를 포함한다. 분쇄 혹은 밀링은, 예를 들어, 핀 밀의 경우에서처럼, 예를 들어, 핀 혹은 기타 요소를 왕복이동시킴으로써 제공될 수 있다. 기타 기계적 처리 방법은 기계적 째기(mechanical ripping), 찢기(tearing), 전단 혹은 저미기(chopping), 또는 섬유에 압력을 가하는 다른 방법 및 공기 마찰 밀링을 포함한다. 적절한 기계적 처리는 이전의 가공처리 단계들에 의해 초기화된 재료의 내부 구조의 파괴를 계속하는 기타 임의의 수법을 더 포함한다.

기계적 공급물 준비 시스템은, 예를 들어, 특정 최대 크기, 특정 길이-대-폭 또는 특정 표면적비 등과 같은 특정 특성을 지니는 스트림을 생산하도록 구성될 수 있다. 물리적 준비는, 반응 속도의 증가, 컨베이어 상에서의 재료의 이동 향상, 재료의 방사선 조사 프로파일의 향상, 재료의 방사 균일도 증가, 또는 재료들을 개방시켜 이들을 용액 중 시약 등과 같은 시약 및/또는 처리에 더욱 접근하기 쉽게 만듦으로써 요구되는 가공처리 시간의 감소일 수 있다.

공급원료의 벌크 밀도는 제어(예컨대, 증가)될 수 있다. 몇몇 상황에서, 예컨대, 재료를 치밀화하고(예컨대, 치밀화는 이것을 더욱 용이하게 만들고 다른 장소로 수성하는데 비용이 덜 들 수 있음) 나서 재료를 낮은 벌크 밀도 상태로 역전시킴으로써(예컨대 수송 후), 낮은 벌크 밀도 재료를 준비하는 것이 바람직할 수 있다. 재료는, 예를 들어, 약 0.2 g/cc 이하 내지 약 0.9 g/cc 이상(예컨대, 약 0.3 이하 내지 약 0.5 g/cc 이상, 약 0.3 이하 내지 약 0.9 g/cc 이상, 약 0.5 이하 내지 약 0.9 g/cc 이상, 약 0.3 이하 내지 약 0.8 g/cc 이상, 약 0.2 이하 내지 약 0.5 g/cc 이상)으로 치밀화될 수 있다. 예를 들어, 재료는 미국 특허 제7,932,065호(Medoff) 및 국제 특허 공개 제WO2008/073186호(출원일: 2007년 10월 26일, 영어로 공개되었고, 미국을 지정함)에 개시된 방법 및 장비에 의해 치밀화될 수 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다. 치밀화된 재료는 본 명세서에 기재된 방법들 중 어느 하나에 의해 가공처리될 수 있거나, 또는 본 명세서에 기재된 방법들 중 어느 하나에 의해 가공처리된 임의의 재료는 이어서 치밀화될 수 있다.

몇몇 실시형태에 있어서, 가공처리 대상 물질은 섬유 공급원을 전단함으로써 제공된 섬유를 포함하는 섬유 재료의 형태이다. 예를 들어, 전단은 회전식 나이프 커터에 의해 수행될 수 있다.

예를 들어, 난분해성이거나 또는 그의 저감된 난분해성 수준을 지니는 섬유 공급원은, 예컨대, 회전식 나이프 커터에서 전단되어 제1섬유 재료를 제공할 수 있다. 이 제1섬유 재료는 예컨대 평균 개구 크기가 1.59㎜(1/16 인치, 0.0625 인치) 이하인 제1스크린을 통과하여, 제2섬유 재료를 제공한다. 필요한 경우, 섬유 공급원은 전단 전에, 예컨대, 세단기에 의해 절단될 수 있다. 예를 들어, 종이가 섬유 공급원으로서 이용될 경우, 종이는 세단기, 예컨대, 문손사(Munson)(뉴욕 우티카시에 소재)에서 제조된 것과 같은 대향 회전 스크루 세단기를 이용해서, 예컨대, 1/4- 내지 1/2-인치 폭인 스트립으로 절단될 수 있다. 세단에 대한 대안으로서, 종이는 길로틴 커터(guillotine cutter)를 이용해서 소정의 크기로 절단함으로써 크기를 저감시킬 수 있다. 예를 들어, 길로틴 커터는 종이를, 예컨대, 폭 10 인치 × 길이 12 인치인 시트로 절단하는 데 이용될 수 있다.

몇몇 실시형태에 있어서, 섬유 공급원의 전단 및 얻어진 제1섬유 재료의 제1스크린을 통한 통과는 동시에 수행된다. 상기 전단 및 통과는 배취식(batch-type) 프로세스로 수행될 수도 있다.

예를 들어, 회전식 나이프 커터는 섬유 공급원을 동시에 전단하고 제1섬유 재료를 스크리닝하는 데 이용될 수 있다. 회전식 나이프 커터는 세단 섬유 공급원에 의해 준비된 전단된 섬유 공급원이 장전될 수 있는 호퍼를 포함한다. 전단된 섬유 공급원.

몇몇 구현예에 있어서, 공급원료는 당화 및/또는 발효 전에 물리적으로 처리된다. 물리적 처리 과정은, 예컨대, 기계적 처리, 화학적 처리, 조사, 초음파 처리, 산화, 열분해 혹은 증기 폭발 등과 같은 본 명세서에 기재된 것들 중 한 가지 이상을 포함한다. 처리 방법은 이들 기술 중 둘, 셋, 넷 혹은 심지어 모두의 조합으로 (임의의 수순으로) 이용될 수 있다. 하나보다 많은 처리 방법이 이용될 경우, 그 방법은 동시에 혹은 상이한 시기에 적용될 수 있다. 바이오매스 공급원료의 분자 구조를 변화시키는 기타 처리가 또한 단독으로, 또는 본 명세서에 개시된 처리방법과 조합하여 이용될 수 있다.

이용될 수 있는 기계적 처리, 그리고 기계적으로 처리된 바이오매스의 특징은, 미국 특허 출원 공개 제2012/0100577 A1호(출원일: 2011년 10월 18일)에 더욱 상세히 기재되어 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

바이오매스 재료의 처리 -- 입자 충격

에너지 입자 충격에 의한 1가지 이상의 처리는, 광범위하게 상이한 공급원으로부터 원래의 공급원료를 처리하여 해당 공급원료로부터 유용한 물질을 추출하고, 추가의 가공처리 단계 및/또는 수순에 대한 입력으로서 기능하는 부분적으로 분해된 유기 재료를 제공하는 데 이용될 수 있다. 입자 충격은 공급원료의 분자량 및/또는 결정화도를 감소시킬 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 그의 원자 궤도로부터의 전자를 방출하는 재료에 축적된 에너지는 해당 재료를 처리하는 데 이용된다. 충격은 무거운 하전된 입자(예컨대 알파 입자 혹은 양자), 전자(예를 들어, 베타 붕괴 또는 전자빔 가속기에서 생성됨) 또는 전자기 방사선(예를 들어, 감마선, x선 또는 자외선)에 의해 제공될 수 있다. 대안적으로, 방사성 물질에 의해 생성된 방사선은 공급원료를 처리하는 데 이용될 수 있다. 이들 처리의 임의의 순서로 혹은 동시에 임의의 조합이 이용될 수 있다. 다른 접근법에 있어서, 전자기 방사선(예컨대, 전자빔 이미터를 이용해서 생산됨)은 공급원료를 처리하는 데 이용될 수 있다.

에너지의 각 형태는 특정 상호작용을 통해 바이오매스를 이온화시킨다. 무거운 하전된 입자는 주로 쿨롱 산란을 통해 물질을 이온화시키고, 이들 상호작용은 더욱 물질을 이온화시킬 수 있는 에너지 전자를 생산한다. 알파 입자는 헬륨 원자의 핵과 동일하며, 이것은 각종 방사성 핵, 예컨대, 비스무트, 폴로늄, 아스타틴, 라돈, 프란슘, 라듐, 수개의 악티늄족 원소, 예컨대, 악티늄, 토륨, 우라늄, 넵투늄, 퀴륨, 칼리포르늄, 아메리슘 및 플루토늄 등의 동위 원소의 알파 붕괴에 의해 생산된다.

입자들이 이용될 경우, 이들은 중성(미하전), 양하전 혹은 음하전되어 있을 수 있다. 하전된 경우, 하전된 입자는 단일의 양하전 혹은 음하전 또는 다수의 전하, 예컨대, 1, 2, 3 혹은 심지어 4개 이상의 전하를 지닐 수 있다. 사슬 절단이 요망될 경우에, 양하전 입자가 그들의 산성 특성으로 인해 부분적으로 바람직할 수 있다. 입자들이 이용될 경우, 해당 입자들은 정지 전자(resting electron)의 질량 혹은 그 이상, 예컨대, 정지 전자의 500, 1000, 1500 또는 2000배 이상의 정지 전자의 질량을 지닐 수 있다. 예를 들어, 입자들은 약 1원자 단위 내지 약 150원자 단위, 예컨대, 약 1원자 단위 내지 약 50원자 단위 또는 약 1 내지 약 25, 예컨대, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 12 혹은 15 원자 단위의 질량을 지닐 수 있다. 입자를 가속시키는데 이용되는 가속기는 정전 DC, 전기역학적 DC, RF 선형, 자기 유도 선형 혹은 연속 파일 수 있다. 예를 들어, 사이클로트론식 가속기로는 IBA(Ion Beam Accelerators, 벨기에 루방-라-뇌브)로부터, 예컨대, 로다트론(Rhodatron)(상표명) 시스템 등이 입수가능한 한편, DC 방식 가속기로는 RDI(이제는 IBA 인더스트리얼사임)로부터 다이나미트론(Dynamitron)(상표명) 등이 입수가능하다. 이온들 및 이온 가속기는 문헌들[Introductory Nuclear Physics, Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons, Inc. (1988), Krsto Prelec, FIZIKA B 6 (1997) 4, 177-206; Chu, William T., "Overview of Light-Ion Beam Therapy", Columbus-Ohio, ICRU-IAEA Meeting, 18-20 Mar. 2006; Iwata, Y. et al., "Alternating-Phase-Focused IH-DTL for Heavy-Ion Medical Accelerators", Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Scotland; 및 Leitner, C. M. et al., "Status of the Superconducting ECR Ion Source Venus", Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria]에 기재되어 있다.

적용되는 선량은 목적으로 하는 효과 및 특정 공급원료에 따라 좌우된다. 예를 들어, 고선량은 공급원료 성분 내의 화학적 결합을 파괴할 수 있고, 저선량은 공급원료 성분 내의 화학적 결합(예컨대, 가교결합)을 증가시킬 수 있다.

몇몇 경우에, 사슬 절단이 요망되고/되거나 중합체 사슬 작용화(functionalized)가 요망될 때, 양자, 헬륨핵, 아르곤 이온, 규소 이온, 네온 이온, 탄소 이온, 인 이온, 산소 이온 혹은 질소 이온 등과 같은 전자보다 무거운 입자가 이용될 수 있다. 개환 사슬 절단이 요망될 경우, 양으로 하전된 입자가 증가된 개환 사슬 절단을 위해 그들의 루이스산 특성을 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 산소-함유 작용기가 요망될 경우, 산소의 존재 하의 처리, 또는 심지어 산소 이온에 의한 처리가 수행될 수 있다. 예를 들어, 질소-함유 작용기가 요망될 경우, 질소의 존재 하의 처리, 또는 심지어 질소 이온에 의한 처리가 수행될 수 있다.

에너지의 기타 형태

전자는 전자 속도의 변화에 의해 생성된 방사선의 쿨롱 산란(Coulomb scattering) 및 브렘스트랄룽(bremsstrahlung) 방사를 통해 상호작용한다. 전자는 요오드, 세슘, 테크네튬 및 이리듐의 동위 원소 등의 베타 붕괴를 받는 방사성 핵에 의해 생성될 수 있다. 대안적으로는, 전자총은 열이온 방사를 통해 전자 공급원으로서 이용될 수 있다.

전자기 방사선은 3가지 처리, 즉, 광전자 흡수, 콤프턴 산란(Compton scattering) 및 쌍 생산(pair production)을 통해 상호작용한다. 지배적인 상호작용은 입사 방사선 조사의 에너지와 재료의 원자가에 의해 결정된다. 셀룰로스 재료 내에 흡수된 방사선에 기여하는 상호작용의 합계는 질량흡수계수에 의해 표현될 수 있다.

전자기 방사선은 그의 파장에 따라 감마선, x선, 자외선, 적외선, 마이크로파 또는 라디오파로서 더욱 분류된다.

예를 들어, 감마 방사선이 재료를 처리하는데 이용될 수 있다. 감마 방사선은 샘플 내의 각종 재료 속으로의 충분한 침투 깊이의 이점을 가진다. 감마선의 공급원으로는 코발트, 칼슘, 테크네튬, 크롬, 갈륨, 인듐, 요오드, 철, 크립톤, 사마륨, 셀렌, 나트륨, 탈륨 및 제논 등의 동위원소 등과 같은 방사성 핵을 포함한다.

x선 공급원으로는 금속 표적, 예컨대, 텅스텐 혹은 몰리브덴 또는 합금, 또는 소형 광원, 예컨대, 린세안사(Lyncean)에 의해 상업적으로 제조된 것들 등과의 전자빔 충돌을 포함한다.

자외선 방사선용의 공급원으로는 중수소 혹은 카드뮴 램프를 포함한다.

적외 방사선용의 공급원으로는 사파이어, 아연 또는 셀렌 창 세라믹 램프(window ceramic lamp)를 포함한다.

마이크로파용의 공급원으로는 클라이스트론, 슬레빈 타입(Slevin) RF 공급원, 또는 수소, 산소 혹은 질소 가스를 이용하는 원자빔 공급원을 포함한다.

전계 이온화 공급원, 정전 이온 분리기, 전계 이온화 발생기, 열이온 방출 공급원, 마이크로파 방출 이온 공급원, 재순환 혹은 정적 가속기, 동적 선형 가속기, 반 데 그라프 가속기(van de Graaff accelerator) 및 폴디드 탄뎀 가속기(folded tandem accelerator)를 비롯한 각종 기타 장치가 본 명세서에 개시된 방법에 이용될 수 있다. 이러한 장치는, 예를 들어, 미국 특허 제7,931,784 B2호 개시되어 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

바이오매스 재료의 처리 -- 전자 충격

공급원료는 그의 구조를 변형시킴으로써 그의 난분해성을 저감시키기 위하여 전자 충격으로 처리될 수 있다. 이러한 처리는, 예를 들어, 공급원료의 평균 분자량의 저감, 공급원료의 결정질 구조의 변화 및/또는 공급원료의 표면적 및/또는 다공도의 증가를 가능하게 할 수 있다.

전자 빔을 통한 전자 충격이 일반적으로 바람직한데, 그 이유는 비교적 저전압/고전력 전자빔 장치의 사용이 값비싼 콘크리트 돔 형상 차폐를 위한 필요를 제거하고, 따라서 그러한 장치는 "자체-차폐되어", 안전한 효율적인 공정을 제공하기 때문이다. "자체-차폐된" 장치들은 차폐(예컨대, 금속 판 차폐)를 포함하는 한편, 이들은 콘크리트 돔형상 구조의 구축을 필요로 하지 않아, 자본적 지출을 크게 저감시켜, 종종 기존의 제조 설비를 값비싼 개조 없이 사용할 수 있게 한다. 전자 빔 가속기는, 예를 들어, IBA(Ion Beam Applications, 벨기에 루방-라-뇌브), 티탄 코포레이션(Titan Corporation)(미국 캘리포니아주의 샌디에이고시에 소재) 및 NHV 코포레이션(Nippon High Voltage, 일본)으로부터, 입수가능하다.

전자 충격은 10 MeV 이하, 예컨대, 7 MeV 이하, 5 MeV 이하 또는 2 MeV 이하, 예컨대, 약 0.5 내지 1.5 MeV, 약 0.8 내지 1.8 MeV, 약 0.7 내지 1 MeV 또는 약 1 내지 3 MeV의 공칭 에너지를 지니는 전자 빔 장치를 이용해서 수행될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 공칭 에너지는 약 500 내지 800 keV이다.

전자 빔은 비교적 높은 총 빔 파워(즉, 전력)(모든 가속된 헤드의 조합된 빔 파워, 또는 다수의 가속기가 이용된다면 모든 가속기 및 모든 헤드), 예컨대, 적어도 25 kW, 예컨대, 적어도 30, 40, 50, 60, 65, 70, 80, 100, 125 또는 150 kW를 지닐 수 있다. 몇몇 경우에, 파워는 500 kW, 750 kW 또는 심지어 1000 kW 이상으로 더 높다. 몇몇 경우에, 전자 빔은 1200 kW 이상의 빔 파워를 지닌다.

이 높은 총 빔 파워는 통상 다수의 가속 헤드를 이용함으로써 달성된다. 예를 들어, 전자 빔 장치는 2개, 4개 혹은 그 이상의 가속 헤드를 포함할 수 있다. 다수의 헤드(각각은 비교적 낮은 빔 파워를 지님)의 이용은, 재료 내에서의 과도한 온도 상승을 방지함으로써, 재료의 연소를 방지하고, 또한 재료의 층의 두께를 통해서 선량의 균일성을 증가시킨다.

몇몇 구현예에 있어서, 전자 충격 동안 재료를 냉각시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 재료는 예를 들어 스크류 압출기 혹은 기타 압출 장비에 의해서 반송되면서 냉각될 수 있다.

난분해성-저감 과정에 의해 요구되는 에너지를 저감시키기 위하여, 재료를 가능한 한 신속하게 처리하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 처리는 초당 약 0.25 M㎭ 이상, 예컨대, 초당 약 0.5, 0.75, 1, 1.5, 2, 5, 7, 10, 12, 15 이상, 또는 심지어 약 20 M㎭ 이상, 예컨대, 초당 약 0.25 내지 2 M㎭의 선량률에서 수행되는 것이 바람직하다. 보다 높은 선량률은, 일반적으로 보다 높은 선 속도를 요구하여, 재료의 열 분해를 회피한다. 일 구현예에서, (예컨대, 0.5 g/㎤의 벌크 밀도를 지니는 옥수수 속대 재료를 분쇄할 때) 가속기는 3 MeV, 50 mAmp 빔 전류에 대해서 설정되고, 선 속도는 약 20㎜의 샘플 두께에 대해서 24 피트/분이다.

몇몇 실시형태에 있어서, 전자 충격은 재료가 적어도 0.5 M㎭, 예컨대, 적어도 5, 10, 20, 30 또는 적어도 40 M㎭의 총 선량을 입수할 때까지 수행된다. 몇몇 실시형태에 있어서, 처리는 재료가 약 0.5 M㎭ 내지 약 150 M㎭, 약 1 M㎭ 내지 약 100 M㎭, 약 2 M㎭ 내지 약 75 M㎭, 10 M㎭ 내지 약 50 M㎭, 예컨대, 약 5 M㎭ 내지 약 50 M㎭, 약 20 M㎭ 내지 약 40 M㎭, 약 10 M㎭ 내지 약 35 M㎭, 또는 약 25 M㎭ 내지 약 30 M㎭의 선량을 입수할 때까지 수행된다. 몇몇 구현예에 있어서, 25 내지 35 M㎭의 총 선량이 바람직한데, 이상적으로는 각 패스(pass)가 약 1초 동안 적용되되 2초에 걸쳐서 적용되며, 예컨대, 5 M㎭/패스로 적용된다. 7 내지 8 M㎭/패스 이상의 선량을 적용하면, 몇몇 경우에 공급원료 재료의 열분해를 초래할 수 있다.

위에서 논의된 바와 같이 다수의 헤드를 이용해서, 재료는 다회의 패스로, 예를 들어, 수초의 냉각에 의해 분리된 10 내지 20 M㎭/패스, 예컨대, 12 내지 18 M㎭/패스의 2회 패스에서, 또는 7 내지 12 M㎭/패스, 예컨대, 9 내지 11 M㎭/패스에서 3회 패스로 처리될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 1회의 높은 선량보다 오히려 수회의 비교적 낮은 선량으로 재료를 처리하는 것은, 재료의 과열을 방지하는 경향이 있고 또한 재료의 두께를 통한 선량 균일성을 증가시킨다. 몇몇 구현예에 있어서, 재료는 각 패스 동안 혹은 후에 교반되거나 혹은 다르게는 혼합되고, 이어서 그 다음 패스 전에 재차 균일한 층 내로 평활화되어, 처리 균일성을 더욱 향상시킨다.

몇몇 실시형태에 있어서, 전자는, 예를 들어, 빛의 속도의 75퍼센트 이상, 예컨대, 빛의 속도의 85, 90, 95 또는 99 퍼센트 이상으로 가속된다.

몇몇 실시형태에 있어서, 본 명세서에 기재된 임의의 가공처리는 획득된 대로 건조 상태이거나, 또는 예컨대, 열 및/또는 감압을 이용해서, 건조되어 있는 리그노셀룰로스 재료에 대해서 수행된다. 예를 들어, 몇몇 실시형태에 있어서, 셀룰로스 및/또는 리그노셀룰로스 재료는, 25℃ 및 50퍼센트 상대 습도에서 측정된, 5중량% 이하의 수분 보유량을 지닌다.

전자 충격은 셀룰로스 및/또는 리그노셀룰로스 재료가 공기, 산소-풍부 공기, 또는 심지어 산소 자체에 노출되거나, 또는 질소, 아르곤 혹은 헬륨 등과 같은 불활성 기체에 의해 블랭킷된 상태에서 적용될 수 있다. 최대 산화가 요망될 경우, 공기 혹은 산소 등과 같은 산화 환경이 활용되고, 빔 공급원으로부터의 거리는, 반응 가스 형성, 예컨대, 오존 및/또는 질소의 산화물을 최대화하기 위하여 최적화되어 있다.

몇몇 실시형태에 있어서, 2가지 이상의 전자 공급원, 예컨대, 2가지 이상의 이온화 방사선이 이용된다. 예를 들어, 샘플은, 임의의 순서로, 전자빔에 이어서, 감마 방사선 및 약 100㎚ 내지 약 280㎚의 파장을 지니는 UV광으로 처리될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 샘플은 3가지 이상의 이온화 방사선 공급원, 예컨대, 전자빔과, 감마 방사선과, 에너지 UV광으로 처리된다. 바이오매스는 전자에 충격을 가할 수 있는 처리 영역을 통해서 반송된다. 일반적으로, 바이오매스 재료의 상은 앞서 기술된 바와 같이 처리 동안 비교적 균일한 두께를 지니는 것이 바람직하다.

바이오매스의 난분해성을 더욱 철저히 저감시키고/시키거나 바이오매스를 더욱 변형시키기 위하여 처리를 반복하는 것이 유리할 수 있다. 특히 공정 파라미터는 재료의 난분해성에 따라서 제1 (예컨대, 제2, 제3, 제4 혹은 그 이상)의 패스 후에 조정될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 바이오매스가 위에서 기재된 각종 공정을 통해서 다수회 반송되는 순환 시스템을 포함하는 컨베이어가 이용될 수 있다. 다른 몇몇 실시형태에 있어서, 다수의 처리 장치(예컨대, 전자 빔 발생기)가 바이오매스를 다수(예컨대, 2, 3, 4 혹은 그 이상)회 처리하는데 이용된다. 또 다른 실시형태에 있어서, 단일 전자 빔 발생기가 바이오매스의 처리를 위하여 이용될 수 있는 다수의 빔(예컨대, 2, 3, 4 혹은 그 이상의 빔)의 공급원일 수 있다.

분자/초분자 구조를 변경하고/하거나 바이오매스 바이오매스의 난분해성을 저감함에 있어서의 효율은 이용된 전자 에너지 및 적용된 선량에 좌우되는 한편, 노출 시간은 전력 및 용량에 좌우된다.

몇몇 실시형태에 있어서, 처리(임의의 전자 공급원 또는 이들 공급원의 조합을 이용함)는 재료가 적어도 약 0.05 M㎭, 예컨대, 적어도 약 0.1, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0, 2.5, 5.0, 7.5, 10.0, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 125, 150, 175, 또는 200 M㎭의 선량을 받을 때까지 수행된다. 몇몇 실시형태에 있어서, 상기 처리는 재료가 0.1 내지 100 M㎭, 1 내지 200, 5 내지 200, 10 내지 200, 5 내지 150, 5 내지 100, 5 내지 50, 5 내지 40, 10 내지 50, 10 내지 75, 15 내지 50, 20 내지 35 M㎭의 선량을 받을 때까지 수행된다.

몇몇 실시형태에 있어서, 처리는 5.0 내지 1500.0 킬로㎭/시간, 예컨대, 10.0 내지 750.0 킬로㎭/시간 또는 50.0 내지 350.0 킬로㎭/시간의 선량률에서 수행된다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 처리는 10 내지 10000 킬로㎭/s/hr, 100 내지 1000 킬로㎭//hr, 또는 500 내지 1000 킬로㎭/s/hr의 선량률에서 수행된다..

전자 공급원

전자는 전자 속도의 변화에 의해 생성된 방사선의 쿨롱 산란 및 브렘스트랄룽 방사를 통해 상호작용한다. 전자는 요오드, 세슘, 테크네튬 및 이리듐의 동위 원소 등의 베타 붕괴를 받는 방사성 핵에 의해 생성될 수 있다. 대안적으로는, 전자총은 열이온 방사를 통해 전자 공급원으로서 이용되고 가속 전위를 통해 가속될 수 있다. 전자총은 전자들을 발생시켜, 이들을 커다란 전위(예컨대, 약 50만 이상, 약 1백만 이상, 약 2백만 이상, 약 5백만 이상, 약 6백만, 약 7백만 이상, 약 8백만 이상, 약 9백만 이상 또는 심지어 1000만 볼트 이상)를 통해 가속시키고 나서, x-y 평면에서 자기적으로 스캔하며, 이때 전자들은 초기에 관 아래쪽에서 z방향으로 가속되고 호일 창을 통해서 추출된다. 전자 빔의 스캐닝은, 주사된 빔을 통해 반송되는, 재료, 예컨대, 바이오매스를 조사할 때 조사면을 증가시키기 위하여 유용하다. 전자 빔의 스캐닝은 또한 상기 창에 대해서 균질하게 열 부하를 분포시켜, 전자 빔에 의한 국소 가열로 인한 호일 창 파열을 저감시키는 것을 돕는다. 창 호일 파열은 후속의 필요한 보수 및 전자총의 재개로 인한 상당한 고장 시간의 원인이다.

전계 이온화 공급원, 정전 이온 분리기, 전계 이온화 발생기, 열이온 방출 공급원, 마이크로파 방출 이온 공급원, 재순환 혹은 정적 가속기, 동적 선형 가속기, 반 데 그라프 가속기 및 폴디드 탄뎀 가속기를 비롯한 각종 기타 조사 장치가 본 명세서에 개시된 방법에 이용될 수 있다. 이러한 장치는, 예를 들어, 미국 특허 제7,931,784호(Medoff) 개시되어 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

전자 빔은 방사선 공급원으로서 이용될 수 있다. 전자 빔은 높은 선량 속도(예컨대, 초당 1, 5, 또는 심지어 10 M㎭), 높은 처리량, 적은 오염 및 적은 제한 장비의 이점을 지닌다. 전자 빔은 또한 높은 전기 효율(예컨대, 80%)을 지닐 수 있어, 다른 방사선 조사 방법에 대해서 보다 낮은 에너지 이용을 허용하며, 보다 낮은 작업 비용, 및 이용된 보다 작은 양의 에너지에 대응하는 보다 낮은 온실가스 방출로 해석될 수 있다. 전자 빔은, 예컨대, 정전 발전기, 캐스케이드 발전기, 변압기 발전기, 주사 시스템을 지닌 낮은 에너지 가속기, 선형 캐소드를 지닌 낮은 에너지 가속기, 선형 가속기, 및 펄스 가속기에 의해 발생될 수 있다.

전자는 또한, 예를 들어, 사슬 절단의 기전에 의해 바이오매스의 분자 구조에 변화를 일으킴에 있어서 더 효과적일 수 있디. 또한, 0.5 내지 10 MeV의 에너지를 지니는 전자는 저밀도 재료, 예컨대, 본 명세서에 기재된 바이오매스 재료, 예컨대, 0.5 g/㎤ 이하의 벌크 밀도 및 0.3 내지 10㎝의 심도를 지니는 재료를 침투할 수 있다. 이온화 방사선 공급원으로서의 전자는, 예컨대, 약 0.5 인치 이하, 예컨대, 약 0.4 인치, 0.3 인치, 0.25 인치 이하, 또는 약 0.1 인치 이하의, 예컨대, 재료의 비교적 얇은 플라이, 층 혹은 베드에 대해서 유용할 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 전자 빔의 각 전자의 에너지는 약 0.3 MeV 내지 약 2.0 MeV(백만 전자 볼), 예컨대, 약 0.5 MeV 내지 약 1.5 MeV 또는 약 0.7 MeV 내지 약 1.25 MeV이다. 재료를 조사하는 방법은 미국 특허 출원 공개 제2012/0100577 A1호(출원일: 2011년 10월 18일)에 개시되어 있으며, 그 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

전자빔 조사 장치는 캘리포니아주의 샌디에이고시에 소재한 티탄 코포레이션사(Titan Corporation) 혹은 벨기에의 로바인-라-뉴브(Louvain-la-Neuve)시에 소재한 이온 빔 어플리케이션스사(Ion Beam Applications)로부터 상업적으로 입수될 수 있다. 전형적인 전자 에너지는 0.5 MeV, 1 MeV, 2 MeV, 4.5 MeV, 7.5 MeV 또는 10 MeV일 수 있다. 전형적인 전자빔 조사 장치 전력은 1 KW, 5 KW, 10 KW, 20 KW, 50 KW, 60 KW, 70 KW, 80 KW, 90 KW, 100 KW, 125 KW, 150 KW, 175 KW, 200 KW, 250 KW, 300 KW, 350 KW, 400 KW, 450 KW, 500 KW, 600 KW, 700 KW, 800 KW, 900 KW 또는 심지어 1000 KW일 수 있다.

전자빔 조사 장치 전력 사양을 고려할 때의 트레이드오프(tradeoff)는 작동 비용, 자본금, 감가 상각 및 장치가 차지하는 공간을 포함한다. 전자빔 조사의 노출 선량 레벨을 고려할 때의 트레이드오프는 에너지 비용, 및 환경, 안전성 및 건강(ESH: environment, safety, and health) 관련사항일 것이다. 전형적으로, 발생기는, 특별히 이 공정에서 발생되는 X-선으로부터의 생산을 위하여, 예컨대, 납 혹은 콘트리트의 돔형의 저장소에 수용된다. 전자 에너지를 고려할 때의 트레이드오프는 에너지 비용을 포함한다.

전자빔 조사 장치는 고정 빔 혹은 주사 빔을 생성할 수 있다. 주사 빔은, 이것이 보다 커다란 고정 빔 폭으로 효과적으로 대체됨에 따라 커다란 주사 스위프(sweep) 길이 및 높은 주사 속도를 지니므로 유리할 수 있다. 또한, 0.5m, 1m, 2m 이상의 유용한 스위프 폭이 이용가능하다. 주사 빔은 보다 큰 주사 폭, 국소 가열의 가능성 감소 및 창의 고장 때문에 본 명세서에 기재된 대부분의 실시형태에서 바람직하다.

바이오매스 재료의 처리 -- 초음파처리, 열분해, 산화, 증기 폭발

필요한 경우, 하나 이상의 초음파처리, 열분해, 산화적 혹은 증기 폭발 공정이 바이오매스 재료의 난분해성을 더욱 저감시키기 위하여 기타 처리에 부가해서 혹은 이 대신에 이용될 수 있다. 이들 공정은 다른 처리 혹은 처리들 전에, 동안 혹은 후에 적용될 수 있다. 이들 공정은 미국 특허 제7,932,065호(Medoff)에 상세히 기재되어 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

처리된 바이오매스 재료의 용도

본 명세서에 기재된 방법을 이용해서, 출발 바이오매스 재료(예컨대, 식물 바이오매스, 동물 바이오매스, 페이퍼 및 도시 폐 바이오매스)가 유기산, 유기산의 염, 무수물, 유기산의 에스터 및 연료, 예컨대, 내연기관용의 연료 혹은 연료 전지용의 공급원료 등과 같은 유용한 중간생성물 및 생성물을 생산하기 위한 공급원료로서 이용될 수 있다. 용이하게 입수가능한 공급원료 셀룰로스 및/또는 리그노셀룰로스 재료로서 이용될 수 있는 시스템 및 방법이 본 명세서에 기재되어 있지만, 예컨대, 도시 폐 스트림 및 폐지 스트림, 예컨대, 신문지, 크래프트지, 골판지 혹은 이들의 혼합물을 포함하는 스트림을 처리하는데 어려울 수 있다.

공급원료를 용이하게 가공처리될 수 있는 형태로 전환시키기 위하여, 공급원료 내 글루칸- 또는 자일란-함유 셀룰로스는, 당화제, 예컨대, 효소 혹은 산에 의해 저분자량 탄수화물, 예컨대, 당으로 가수분해될 수 있으며, 이 과정은 당화라 지칭된다. 저분자량 탄수화물은 이어서 예를 들어 기존의 제조 공장, 예컨대, 단세포 단백질 공장, 효소 제조 공장, 혹은 연료 공장, 예컨대, 에탄올 제조 설비에서 이용될 수 있다.

공급원료는, 예컨대, 용매 중, 예컨대, 수성 용액 중에서 효소와 재료를 조합함으로써, 효소를 이용해서 가수분해될 수 있다.

대안적으로, 효소는 바이오매스, 예컨대, 바이오매스의 셀룰로스 및/또는 리그닌 부분을 파괴시키거나, 각종 셀룰로스 분해 효소(cellulase), 리그닌분해효소 혹은 각종 소분자 바이오매스-분해 대사산물을 함유하거나 제조하는, 유기체에 의해 공급될 수 있다. 이들 효소는 바이오매스의 결정성 셀룰로스 또는 리그닌 부분을 분해시키기 위하여 상승작용적으로 작용하는 효소의 복합체일 수 있다. 셀룰로스 분해 효소의 예로는 엔도글루카나제, 셀로바이오하이드롤라제 및 셀로비아제(베타-글루코시다제)를 포함한다.

당화 동안, 셀룰로스 기질은 올리고머성 중간생성물을 생성하는 랜덤한 개소에서 엔도글루카나제에 의해 초기에 가수분해될 수 있다. 따라서, 이들 중간생성물은 셀룰로스 중합체의 말단으로부터 셀로바이오스를 생산하기 위하여 셀로바이오하이드롤라제 등과 같은 글루카나제를 외부 분열시키기 위한 기질이다. 셀로바이오스는 글루코스의 수-가용성 1,4-결합 이량체이다. 최종적으로, 셀로비아제는 셀로바이오스를 분할시켜 글루코스를 수득한다. 이 과정의 효율(예컨대, 가수분해 시간 및 가수분해 완성도)은 셀룰로스 재료의 난분해성에 좌우된다.

중간생성물 및 생성물

본 명세서에 기재된 방법은 바람직하게는 뷰탄올, 예컨대, 아이소뷰탄올 또는 n-뷰탄올 및 유도체를 생산하는데 이용된다. 그러나, 이 방법은, 기타 생성물, 공동-생성물 및 중간생성물, 예를 들어, 미국 특허 출원 공개 제2012/0100577 A1호(출원일: 2011년 10월 18일, 공개일: 2012년 4월 26일)에 기재된 생성물을 생산하는데 이용될 수 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

본 명세서에 기재된 방법을 이용해서, 바이오매스 재료가 에너지, 연료, 식품 및 물질 등과 같은 하나 이상의 생성물로 전환될 수 있다. 생성물의 구체적인 예로는, 수소, 당(예컨대, 글루코스, 자일로스, 아라비노스, 만노스, 갈락토스, 프럭토스, 이당류, 올리고당 및 다당류), 알코올(예컨대, 1가 알코올 혹은 2가 알코올, 예컨대, 에탄올, n-프로판올, 아이소뷰탄올, sec-뷰탄올, tert-뷰탄올 또는 n-뷰탄올), 수화된 혹은 함수 알코올(예컨대, 10%, 20%, 30% 이상 혹은 심지어 40% 이상의 물을 함유함), 바이오디젤, 유기산, 탄화수소(예컨대, 메탄, 에탄, 프로판, 아이소뷰텐, 펜탄, n-헥산, 바이오디젤, 바이오-가솔린 및 이들의 혼합물), 공동-생성물(예컨대, 단백질, 예컨대, 셀룰로스 분해 단백질(효소) 또는 단세포 단백질), 및 임의의 조합 혹은 상대적인 농도에서, 그리고 선택적으로 임의의 첨가제(예컨대, 연료 첨가제)와의 조합에서의 이들의 임의의 혼합물을 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 기타 예로는, 카복실산, 카복실산의 염, 카복실산과 카복실산의 염과 카복실산의 에스터의 혼합물(예컨대, 메틸, 에틸 및 n-프로필 에스터), 케톤(예컨대, 아세톤), 알데하이드(예컨대, 아세트알데하이드), 알파 및 베타 불포화 산(예컨대, 아크릴산) 및 올레핀(예컨대, 에틸렌)을 포함한다. 기타 알코올 및 알코올 유도체로는 프로판올, 프로필렌 글라이콜, 1,4-뷰탄다이올, 1,3-프로판다이올, 당 알코올 및 폴리올(예컨대, 글라이콜, 글라이세롤, 에리트리톨, 트레이톨, 아라비톨, 자일리톨, 리비톨, 만니톨, 솔비톨, 갈락티톨, 이디톨, 이노시톨, 볼레미톨, 아이소말트, 말티톨, 락티톨, 말토트라이이톨, 말토테트라이톨 및 폴리글라이시톨 및 기타 폴리올), 그리고 이들 알코올의 어느 하나의 메틸 혹은 에틸 에스터를 포함한다. 기타 생성물로는, 메틸 아크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 락트산, 시트르산, 폼산, 아세트산, 프로피온산, 뷰티르산, 숙신산, 발레르산, 카프로산, 3-하이드록시프로피온산, 팔미트산, 스테아르산, 옥살산, 말론산, 글루타르산, 올레산, 리놀레산, 글라이콜산, 감마-하이드록사뷰티르산 및 이들의 혼합물, 이들 산의 어느 것인가의 염, 이들 산의 어느 하나와 그들의 각각의 염의 혼합물을 포함한다.

상기 생성물의 서로 간의 및/또는 상기 생성물의 다른 생성물과의 임의의 조합(여기서 다른 생성물은 본 명세서 혹은 다른 곳에 기재된 방법에 의해 제조될 수 있음)은, 함께 포장되어 생성물로서 판매될 수 있다. 이 생성물은 조합, 예컨대, 혼합되거나, 배합되거나 공용해될 수 있거나, 또는 단순히 포장되어 함께 판매될 수 있다.

본 명세서에 기재된 생성물의 어느 하나 혹은 생성물의 조합은 생성물을 판매하기 전에, 예컨대, 정제 혹은 단리 혹은 심지어 포장 후에, 위생처리 혹은 멸균화하여, 생성물(들)에 존재할 수 있는 하나 이상의 잠재적으로 바람직하지 않은 오염물을 중화시킬 수 있다. 이러한 위생처리는 전자 충격에 의해, 예를 들어, 약 20 M㎭ 이하, 예컨대, 약 0.1 내지 15 M㎭, 약 0.5 내지 7 M㎭, 또는 약 1 내지 3 M㎭의 선량에서 행해질 수 있다.

본 명세서에 기재된 방법은 공장의 다른 부분에서 이용되거나 오픈 마켓에서 판매되도록 스팀 및 전기를 발생하는데 유용한 각종 부산물 스트림을 생산할 수 있다. 예를 들어, 부산물 스트림의 연소로부터 발생된 스팀은 증류 과정에서 이용될 수 있다. 다른 예로서, 부산물 스트림의 연소로부터 발생된 전기는 전처리에서 이용되는 전자빔 발전기를 통전시키는데 이용될 수 있다.

스팀 및 전기를 발생시키는데 이용되는 부산물은 이 과정 전체를 통해서 다수의 공급원으로부터 유래될 수 있다. 예를 들어, 폐수의 혐기성 소화는 매탄 중 높은 바이오가스 및 소량의 폐 바이오매스(슬러지)를 생산할 수 있다. 다른 예로서, 당화후 및/또는 증류후 고체(예컨대, 전처리 및 예비 과정으로부터 남아 있는 비전환된 리그닌, 셀룰로스 및 헤미셀룰로스)가 사용, 예컨대 연료로서 연소될 수 있다.

얻어지는 많은 생성물, 예컨대, 에탄올 또는 n-뷰탄올은, 동력 차량, 트럭, 트랙터, 배 혹은 트레인용의 연료로서, 예컨대, 내연 연료로서 혹은 연료 전지 공급원료로서 활용될 수 있다. 얻어진 많은 생성물은 또한 항공기, 예컨대, 제트 엔진을 지니는 비행기 혹은 헬리콥터를 통전시키는 데 활용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재된 생성물은, 예컨대, 종래의 스팀 발전 공장에서 혹은 연료 전지 공장에서 전력 발전을 위하여 활용될 수 있다.

식품 및 약제학적 생성물을 포함하는 기타 중간생성물 및 생성물은 미국 특허 출원 공개 제2010/0124583 A1호(공개일: 2010년 5월 20일, Medoff)에 기재되어 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

당화

저감된-난분해성 공급원료로부터 프럭토스 용액을 얻기 위하여, 처리된 바이오매스 재료는, 일반적으로 해당 재료와 셀룰라제 효소를 유체 배지, 예를 들어, 수성 용액 중에서 배합함으로써, 당화되고 나서 이성질체화되고 선택적으로 정제될 수 있다. 몇몇 경우에, 재료는 미국 특허 출원 공개 제2012/0100577 A1호(Medoff 및 Masterman, 공개일; 2012년 4월 26일)에 기재된 바와 같이 당화 전에 온수에서 비등되거나, 적셔지거나 혹은 조리(cook)되며, 이 문헌의 전체 내용은 본 명세서에 포함된다.

당화 공정은 제조 공장 내의 탱크(예컨대, 적어도 4000, 40,000 혹은 500,000ℓ의 체적을 지니는 탱크)에서 부분적으로 혹은 완전히 수행될 수 있고/있거나, 수송 중에, 예컨대, 레일 카 내, 탱커 트럭 내, 또는 초대형 유조선이나 선박의 선창 내에서 부분적으로 혹은 완전히 수행될 수 있다. 완전한 당화를 위해 필요한 시간은 이용된 공급원료와 효소 그리고 처리 조건에 좌우될 것이다. 당화가 제어된 조건 하에 제조 공장에서 수행된다면, 셀룰로스는 약 12 내지 96시간에 글루코스로 실질적으로 완전히 전환될 수 있다. 당화가 수송 중에 부분적으로 혹은 완전히 수행된다면, 당화는 더 오랜 시간이 걸릴 수 있다.

일반적으로, 탱크 내용물은 당화 동안, 예를 들어, 국제 출원 제PCT/US2010/035331호(출원일: 2010년 5월 18일, 제WO 2010/135380호로 영어로 공개되고 미국을 지정함)에 기재된 바와 같은 제트 혼합을 이용해서 혼합되는 것이 바람직하며, 이 문헌의 전체 개시내용은 본 명세서에 참조로 포함된다.

계면활성제의 첨가는 당화의 속도를 증대시킬 수 있다. 계면활성제의 예로는, 비이온성 계면활성제, 예컨대, 트윈(Tween)(등록상표) 20 혹은 트윈(Tween)(등록상표) 80, 폴리에틸렌 글라이콜 계면활성제, 이온성 계면활성제, 또는 양성 계면활성제를 포함한다.

일반적으로 당화로부터 얻어지는 당 용액의 농도는 비교적 높은 것, 예컨대, 40중량% 이상, 또는 50, 60, 70, 80, 90중량% 이상 혹은 심지어 95중량% 이상인 것이 바람직하다. 물은, 당 용액의 농도를 증가시키기 위하여, 예컨대, 증발에 의해 제거될 수 있다. 이것은 출하될 부피를 감소시키며, 또한 용액 중의 미생물 증식을 억제한다.

프럭토스 용액의 농도는, 예를 들어 당화된 용액의 이성질체화 후, 약 1 내지 40%일 수 있다. 예를 들어 약 5 내지 40%, 약 10 내지 40%, 약 15 내지 40%, 약 5 내지 10%, 약 10% 내지 30% 및 약 30% 내지 40%일 수 있다.

프럭토스의 다른 공급원이 또한 이용될 수 있다. 예를 들어 프럭토스는 당밀로부터 얻어질 수 있다. 상이한 종류의 당밀의 몇몇 예는 사탕수수 당밀, 감귤 당밀, 전분 당밀, 블랙스트랩 당밀(Blackstrap Molasses) 및/또는 사탕무우 당밀로이다. 당밀 내 글루코스는 총 글루코스/프럭토스의 약 30% 내지 70%(예컨대, 40% 내지 60%, 예컨대, 45% 내지 55%) 범위일 수 있고, 예를 들어, 고농도 프럭토스 옥수수 시럽은 55% 프럭토스와 45% 글루코스이다. 과일로부터의 추출물은 또한 고농도 프럭토스 생성물의 공급원일 수 있으며, 예를 들어 용설란 추출물은 90% 프럭토스와 10% 글루코스를 지닐 수 있다. 글루코스 용액의 이성질체화는 글루코스 용액의 농도를 증가시킬 수 있고, 프럭토스의 다른 공급원이다. 이성질체화는 본 명세서에서 논의된 바와 같은 아이소메라제에 의해 행해질 수 있다. 프럭토스의 다른 공급원은, 예를 들어, 효소(예컨대, 수크라제)를 이용한, 산을 이용한 및/또는 염기를 이용한 수크로스의 가수분해이다.

대안적으로, 보다 낮은 농도의 당 용액이 이용될 수 있으며, 이 경우, 항균제 첨가제, 예컨대, 광범위 항생제를 낮은 농도, 예컨대, 50 내지 150 ppm으로 첨가하는 것이 바람직할 수 있다. 기타 적절한 항생제로는 암포테리신 B, 암피실린, 클로르암페니콜, 시프로플록사신, 겐타마이신, 하이그로마이신 B, 카나마이신, 네오마이신, 페니실린, 퓨로마이신, 스트렙토마이신을 포함한다. 항생제는 수송 및 저장 동안 미생물의 성장을 저해할 것이며, 적절한 농도, 예컨대, 15 내지 1000 중량ppm, 예컨대, 25 내지 500 중량ppm, 또는 50 내지 150 중량ppm에서 이용될 수 있다. 필요한 경우, 항생제는 당 농도가 비교적 높더라도 포함될 수 있다. 대안적으로, 보존성의 항균제와 함께 다른 첨가제가 이용될 수 있다. 바람직하게는, 향균제 첨가제(들)는 식품-등급이다.

효소와 함께 바이오매스 재료에 첨가되는 물의 양을 제한함으로써 비교적 고농도의 용액이 얻어질 수 있다. 농도는 예컨대 얼마나 많은 당화가 일어나는지를 제어함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 농도는 용액에 더 많은 바이오매스 재료를 첨가함으로써 증가될 수 있다. 용액 내에서 생성되고 있는 당을 유지하기 위하여, 계면활성제, 예컨대, 위에서 논의된 것들 중 하나가 첨가될 수 있다. 용해도는 용액의 온도를 증가시킴으로써 또한 증가될 수 있다. 예를 들어, 용액은 40 내지 50℃, 60 내지 80℃ 혹은 심지어 그 이상의 온도에서 유지될 수 있다.

탱크의 내용물에 글루코스 아이소메라제를 첨가함으로써, 당화가 탱크 내의 당에 의해 저해되는 일 없이 고농도의 프럭토스가 얻어질 수 있다. 글루코스 아이소메라제는 임의의 양으로 첨가될 수 있다. 예를 들어, 그 농도는 약 500 U/g 이하의 셀룰로스(100 U/g 이하의 셀룰로스, 50 U/g 이하의 셀룰로스, 10 U/g 이하의 셀룰로스, 5 U/g 이하의 셀룰로스)일 수 있다. 그 농도는 적어도 약 0.1 U/g 셀룰로스(적어도 약 0.5 U/g 셀룰로스, 적어도 약 1U/g 셀룰로스, 적어도 약 2 U/g 셀룰로스, 적어도 약 3 U/g 셀룰로스)이다.

글루코스 아이소메라제의 첨가는 적어도 5%(적어도 10%, 적어도 15%까지, 적어도 20%)만큼 생산된 당의 양을 증가시킨다.

용액 중의 당의 농도는 또한 효소와 함께 공급원료에 첨가되는 물의 양을 제한함으로써 증대될 수 있고/있거나, 그 농도는 당화 동안 용액에 더 많은 공급원료를 첨가함으로써 증가될 수 있다. 용액 중에 생산되고 있는 당을 유지하기 위하여, 예컨대, 상기 논의된 것들 중 하나인 계면활성제가 첨가될 수 있다. 용해도는 또한 용액의 온도를 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 예를 들어, 용액은 40 내지 50℃, 60 내지 80℃, 또는 그 이상의 온도에서 유지될 수 있다.

당화제

적절한 셀룰로스 분해 효소는 바실루스(Bacillus), 코프리누스(Coprinus), 마이셀리오프토라(Myceliophthora), 세팔로스포륨(Cephalosporium), 사이탈리듐(Scytalidium), 페니실륨(Penicillium), 아스페르길루스(Aspergillus), 슈도모나스(Pseudomonas), 후미콜라(Humicola), 푸사리움(Fusarium), 티엘라비아(Thielavia), 아크레모늄(Acremonium), 크리소스포륨(Chrysosporium) 및 트리코데마(Trichoderma) 속으로부터의 셀룰라제를 포함하며, 특히 아스페르길루스(Aspergillus)(예컨대, EP 공개 제0 458 162호), 후미콜라 인솔렌스(Humicola insolens)(사이탈리듐 써모필룸(Scytalidium thermophilum)으로서 재분류됨, 예컨대, 미국 특허 제4,435,307호 참조), 코프리너스 시네레우스(Coprinus cinereus), 푸사리움 옥시스포룸(Fusarium oxysporum), 마이셀리오프토라 써모필라(Myceliophthora thermophila), 메리필루스 기간테우스(Meripilus giganteus), 티엘라비아 테레스트리스(Thielavia terrestris), 아크레모늄 종(Acremonium sp.)(아크레모늄 페르시시넘(A. persicinum), 아크레모늄 아크레모늄(A. acremonium), 아크레모늄 브라키페늄(A. brachypenium), 아크레모늄 디클로모스포룸(A. dichromosporum), 아크레모늄 오브클라바툼(A. obclavatum), 아크레모늄 핀커토니애(A. pinkertoniae), 아크레모늄 로세오그리세움(A. roseogriseum), 아크레모늄 인콜로라툼(A. incoloratum) 및 아크레모늄 푸라툼(Acremonium furatum)을 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아님) 종으로부터 선택된 균주에 의해 생산된 것들을 포함한다. 바람직한 균주로는, 후미콜라 인솔렌스(Humicola insolens) DSM 1800, 푸사리움 옥시스포룸(Fusarium oxysporum) DSM 2672, 마이셀리오프토라 써모필라(Myceliophthora thermophila) CBS 117.65, 세팔로스포륨종(Cephalosporium sp.) RYM-202, 아크레모늄종(Acremonium sp.) CBS 478.94, 아크레모늄종(Acremonium sp.) CBS 265.95, 아크레모늄 페르시시넘(Acremonium persicinum) CBS 169.65, 아크레모늄 아크레모늄(Acremonium acremonium) AHU 9519, 세팔로스포륨종(Cephalosporium sp.) CBS 535.71, 아크레모늄 브라키페늄(Acremonium brachypenium) CBS 866.73, 아크레모늄 디클로모스포룸(Acremonium dichromosporum) CBS 683.73, 아크레모늄 오브클라바툼(Acremonium obclavatum) CBS 311.74, 아크레모늄 핀커토니애(Acremonium pinkertoniae) CBS 157.70, 아크레모늄 로세오그리세움(Acremonium roseogriseum) CBS 134.56, 아크레모늄 인콜로라툼(Acremonium incoloratum) CBS 146.62, 및 아크레모늄 푸라툼(Acremonium furatum) CBS 299.70H를 포함한다. 셀룰로스 분해 효소는 또한 크리소스포륨(Chrysosporium), 바람직하게는, 크리소스포륨 룩노웬스(Chrysosporium lucknowense)로부터 얻어질 수 있다. 이용될 수 있는 부가적인 균주로는 트리코데마(Trichoderma)(특히 트리코데르마 비리데(T. viride), 트리코데마 리제이(T. reesei) 및 트리코데마 코닌기(T. koningii)), 호알칼리성 바실러스(alkalophilic Bacillus))(예를 들어, 미국 특허 제3,844,890호 및 EP 공보 제0 458 162호 참조) 및 스트렙토마이세스(Streptomyces)(예컨대, EP 공보 제0 458 162호 참조)를 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다.

바이오매스 재료를 당화시켜 당을 생산하는데 이용될 수 있는 많은 미생물은 또한 이들 당을 발효시켜 유용한 생성물로 전환시키는데도 이용될 수 있다.

당

본 명세서에 기재된 방법에 있어서, 예를 들어, 당화 후에, 당(예컨대, 글루코스 및 자일로스)이 단리될 수 있다. 예를 들어 당은 석출, 결정화, 크로마토그래피(예컨대, 시뮬레이션화된 이동상 크로마토그래피, 고압 크로마토그래피), 원심분리, 추출, 당업계에 공지된 기타 임의의 단리 방법, 그리고 이들의 조합에 의해 단리될 수 있다.

수소화 및 기타 화학적 변형

본 명세서에 기재된 방법은 수소화를 포함할 수 있다. 예를 들어 글루코스 및 자일로스는 각각 솔비톨 및 자일리톨로 수소화될 수 있다. 수소화는 고압(예컨대, 10 내지 12000 psi) 하에서 H₂와 조합하여 촉매(예컨대, Pt/감마-Al₂O₃, Ru/C, 라니 니켈(Raney Nickel), 또는 당업계에 공지된 기타 촉매)의 사용에 의해 달성될 수 있다. 본 명세서에 기재된 방법으로부터 생성물의 화학적 변형의 기타 유형, 예를 들어, 유기 당 유래 생성물(예컨대, 푸르푸랄 및 푸루푸랄-유래 생성물)이 이용될 수 있다. 당 유래 생성물의 화학적 변형은 미국 특허 가출원 제61/667,481호(출원일: 2012년 7월 3일)에 기재되어 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

발효

바람직하게는, 클로스트리듐 종은 당(예컨대, 프럭토스)을 뷰탄올로 전환하는데 이용된다. 발효를 위한 최적 pH는 약 pH 4 내지 7이다. 예를 들어, 효모를 위한 최적 pH는 약 pH 4 내지 5인 반면, 지모모나스를 위한 최적 pH는 약 pH 5 내지 6이다. 전형적인 발효 시간은 약 24 내지 168시간(예컨대, 24 내지 96시간)이고 이때의 온도 범위는 20℃ 내지 40℃(예컨대, 26℃ 내지 40℃)이지만, 호열성 미생물은 보다 높은 온도를 선호한다.

몇몇 실시형태에 있어서, 예컨대, 혐기성 유기체가 사용될 경우, 발효의 적어도 일부는 산소의 부재, 예컨대, N₂, Ar, He, CO₂ 또는 이들의 혼합물 등과 같은 불활성 기체의 블랭킷 하에 수행된다. 부가적으로, 상기 혼합물은 발효의 일부 혹은 전부 동안 탱크를 통해 흐르는 불활성 가스의 일정한 퍼지(purge)를 지닐 수 있다. 몇몇 경우에, 혐기성 조건은 발효 동안 이산화탄소 생산에 의해 달성되거나 유지될 수 있고, 부가적인 불활성 가스가 필요로 되지 않는다.

몇몇 실시형태에 있어서, 발효공정의 전부 혹은 일부는 저분자량 당이 생성물(예컨대, 에탄올)로 완전히 전환되기 전에 중단될 수 있다. 중간생성물인 발효 산물은 고농도의 당과 탄수화물을 포함한다. 당과 탄수화물은 이하에 논의된 바와 같이 단리될 수 있다. 이들 중간생성물인 발효 산물은 인간 혹은 동물 소비를 위한 식품의 제조에 이용될 수 있다. 부가적으로 혹은 대안적으로, 중간생성물인 발효 산물은 밀가루 유사 물질을 생산하기 위하여 스테인레스강제 실험실 밀로 미립자 크기로 분쇄될 수 있다.

제트 혼합은 발효 동안 이용될 수 있고, 몇몇 경우에 당화와 발효는 동일 탱크에서 수행된다.

미생물에 대한 영양물질, 예를 들어, 미국 특허 출원 공개 제2012/0052536호(출원일: 2011년 7월 15일)에 기재된 식품-기반 영양물질 패키지가 당화 및/또는 발효 동안 첨가될 수 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

"발효"는 미국 가출원 제61/579,559호(출원일: 2012년 12월 22일) 및 미국 가출원 제61/579,576호(출원일: 2012년 12월 22일)에 개시된 방법 및 생성물을 포함하며, 이들 두 문헌의 내용은 참조로 그들의 전문이 본 명세서에 포함된다.

국제 특허 출원 제PCT/US2007/074028호(출원일: 2007년 7월 20일, WO 2008/011598로서 공개되었고, 미국을 지정함)에 기재된 바와 같은 이동식 발효기가 이용될 수 있다. 마찬가지로, 당화 장비는 이동식일 수 있다. 또, 당화 및/또는 발효는 수송 동안 부분적으로 전체적으로 수행될 수 있다.

기타 발효제

클로스트리듐이 바람직하지만, 기타 미생물이 이용될 수 있다. 예를 들어, 효모 및 지모모나스 박테리아는 당(들)의 기타 알코올(들)로의 발효 혹은 전환을 위하여 이용될 수 있다. 기타 미생물은 이하에 논의되어 있다. 이들은 천연 유래 미생물 및/또는 공학적으로 조작된 미생물일 수 있다. 예를 들어, 미생물은 박테리아(예컨대, 셀룰로스 분해 박테리아를 포함하지만, 이로써 제한되는 것은 아님), 균류(예컨대, 효모를 포함하지만, 이로써 제한되는 것은 아님), 식물, 원생생물, 예컨대, 원생동물문 혹은 균류-유사 원생생물(예컨대, 점균류를 포함하지만, 이로써 제한되는 것은 아님), 또는 조류일 수 있다. 유기체가 거부반응을 일으키지 않을 경우, 유기체의 혼합물이 이용될 수 있다.

적절한 발효 미생물은, 예컨대, 글루코스, 프럭토스, 자일로스, 아라비노스, 만노스, 갈락토스, 올리고당 혹은 다당류 등의 탄수화물을 발효 생성물로 전환시키는 능력을 지닌다. 발효 미생물로는, 사카로마이세스종(Saccharomyces spp)의 속(genus)(사카로마이세스 세레비시아(S. cerevisiae)(빵 효모), 사카로마이세스 디스타티쿠스(S. distaticus), 사카로마이세스 우바룸(S. uvarum)을 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아님), 클루이베로마이세스(Kluyveromyces)속(클루이베로마이세스 마르시아누스(K. marxianus), 클루이베로마이세스 프라길리스(K. fragilis) 을 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아님), 칸디다(Candida)속(칸디다 슈도트로피칼리스(C. pseudotropicalis) 및 칸디다 브라시카에(C. brassicae)를 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아님), 피키아 스티피티스(Pichia stipitis)(칸디다 쉐하타에(Candida shehatae)와 관련됨), 클라비스포라(Clavispora)속(클라비스포라 루시타니에(C. lusitaniae) 및 클라비스포라 오푼티애(C. opuntiae) 를 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아님), 파키솔렌(Pachysolen)속(파키솔렌 탄노필루스(Pachysolen tannophilus)을 포함하지만, 이로써 제한되는 것은 아님), 브레탄노마이세스(Bretannomyces)속(브레탄노마이세스 클라우세니이(B. clausenii)(Philippidis, G. P., 1996, Celluose bioconversion technology, Handbook on Bioethanol: Production and Utilization, Wyman, C.E., ed., Taylor & Francis, Washington, DC, 179-212)를 포함하지만, 이로써 제한되는 것은 아님)의 균주들을 포함한다. 기타 적절한 미생물로는, 예를 들어, 지모모나스 모빌리스(Zymomonas mobilis), 클로스트리듐 종(클로스트리듐 써모셀륨(C. thermocellum)(Philippidis, 1996, 전술함), 클로스트리듐 사카로뷰틸아세토니쿰(C. saccharobutylacetonicum), 클로스트리듐 사카로뷰틸리쿰(C. saccharobutylicum), 클로스트리듐 푸니세움(C. Puniceum), 클로스트리듐 베이전키이(C. beijernckii), 클로스트리듐 아세토뷰틸리쿰(C. acetobutylicum)을 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아님), 모닐리엘라 폴리니스(Moniliella pollinis), 모닐리엘라 메가실리엔시스(Moniliella megachiliensis), 락토바실러스 종(Lactobacillus spp.), 야로위아 리포리타카(Yarrowia lipolytica), 유레오바시디움 종(Aureobasidium sp.), 트리코스포로노이데스 종(Trichosporonoides sp.), 트리고놉시스 바리아빌리스(Trigonopsis variabilis), 트리코스포론 종(Trichosporon sp.), 모닐리엘라아세토아부탄스 종(Moniliellaacetoabutans sp.), 티풀라 바리아빌리스(Typhula variabilis), 칸디다 마그놀리애(Candida magnoliae), 우스틸라기노마이세테스 종(Ustilaginomycetes sp.), 슈도지마 츠쿠바엔시스(Pseudozyma tsukubaensis)의 균주, 지고사카로마이에스(Zygosaccharomyces), 데바리오마이세스(Debaryomyces), 한세눌라(Hansenula) 및 피키아(Pichia) 속의 효모 종, 및 데마토이드속 토룰라(Torula)의 진균을 포함한다.

예를 들어, 클로스트리듐 종은, 에탄올, 뷰탄올, 뷰티르산, 아세트산 및 아세톤을 생산하는데 이용될 수 있다. 락토바실러스 종(Lactobacillus spp.)은 락트산을 생산하는데 이용될 수 있다.

이러한 많은 미생물 균주는, 두서너 가지 예를 들면, ATCC(American Type Culture Collection, 미국 버지니아주의 머내서스시에 소재), NRRL(Agricultural Research Service Culture Collection, 미국 일리노이주의 피오리아시에 소재) 또는 DSMZ(Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, 독일의 브라운슈바이크에 소재) 등과 같이, 상업적으로 혹은 기탁소를 통해서 공개적으로 입수가능하다.

시판의 효모로는, 예를 들어, 래드 스타(Red Star)(등록상표)/라사프레 에탄올 레드(Lesaffre Ethanol Red)(미국 Red Star/Lesaffre사로부터 입수가능), 팔리(FALI)(등록상표)(미국 Burns Philip Food Inc.의 분사인 Fleischmann's Yeast사로부터 입수가능), 수퍼스타트(SUPERSTART)(등록상표)(Alltech사(이제는 Lalemand)로부터 입수가능), 거트 스트란드(GERT STRAND)(등록상표)(스웨덴의 Gert Strand AB사로부터 입수가능) 및 페르몰(FERMOL)(등록상표)(DSM Specialties사로부터 입수가능)을 포함한다.

바이오매스 재료를 당화시켜 당을 생산하는데 이용될 수 있는 미생물은 또한 이들 당을 발효시켜 유용한 생성물로 전환시키는데 이용될 수 있다.

증류

발효 후, 얻어지는 유체는, 예를 들어, "비어탑"(beer column)을 이용해서 증류되어 대부분의 물과 잔류 고체로부터 에탄올과 기타 알코올을 분리할 수 있다. 비어탑을 나온 증기는 예컨대 35중량% 에탄올일 수 있고 정류탑으로 공급될 수 있다. 정류탑으로부터 거의 공비(azeotropic)(92.5%) 에탄올과 물의 혼합물은 기상 분자체를 이용해서 순수한(99.5%) 에탄올로 정제될 수 있다. 비어탑 바닥부분은 3-작용 증발기의 제1작용부에 보내질 수 있다. 정류탑 환류 응축기는 이 제1작용부를 위해 열을 제공할 수 있다. 제1작용 후, 고체는 원심기를 이용해서 분리되고 회전 건조기에서 건조될 수 있다. 원심기 유출물의 일부(25%)는 발효로 재순환될 수 있고, 나머지는 제2 및 제3증발기 작용부로 보내질 수 있다. 대부분의 증발기 응축물은 작은 부분이 폐수 처리로 분리되어 낮은 비등 화합물의 구축을 방지하면서 상당히 깨끗한 응축물로서 상기 처리로 되돌아갈 수 있다.

본 명세서의 실시예 이외 혹은 달리 명확하게 특정되지 않는 한, 본 명세서의 이하의 부분 및 첨부된 특허청구범위에서, 수치 범위, 양, 값 및 퍼센트, 예컨대, 재료, 원소 함량, 시간 및 반응 온도, 양들의 비 및 기타에 대한 것들의 모두는, 용어 "약"이 그 값, 양 혹은 범위에 명확하게 표시되어 있지 않을 수도 있더라도 마치 단어 "약"으로 시작되는 것처럼 읽혀질 수 있다. 따라서, 상반되게 표시되지 않는 한, 이하의 명세서 및 첨부된 특허청구범위에 기술된 수치 파라미터는 본 발명에 의해 얻고자 추구되는 목적으로 하는 특성에 따라서 변할 수 있는 근사치이다. 적어도 또한 특허청구범위의 범주에 대한 등가물의 원칙의 적용을 제한하는 시도로서가 아니라, 각 수치 파라미터는 보고된 유효숫자의 숫자를 감안하여 그리고 통상의 반올림 수법을 적용함으로써 적어도 해석될 필요가 있다.

본 발명의 광범위한 범위를 기술하는 수치 범위 및 파라미터가 근사치임에도 불구하고, 특정 실시예에서 기술하고 있는 수치는 가능한 한 정확하게 보고되어 있다. 그러나, 어떠한 수치도 반드시 각각의 테스트 측정에 기반하여 발견되는 표준 편차에 기인하는 오차를 고유하게 포함한다. 또한, 수치 범위가 본 명세서에 기술되어 있을 경우, 이들 범위는 인용된 범위의 종말점을 포함한다(즉, 종말점이 이용될 수 있다). 중량 퍼센트가 본 명세서에서 이용된 경우, 그 보고된 수치는 전체 중량에 대한 것이다.

또한, 본 명세서에서 인용된 어떠한 수치 범위도 그 안에 포괄되는 모든 하위 범위를 포함하도록 의도된 것임이 이해되어야 한다. 예를 들어, "1 내지 10"의 범위는 인용된 최소값 1과 인용된 최대값 10 사이(이들을 포함함)의, 즉, 1과 동등 혹은 그보다 큰 최소값과 10과 동등 혹은 그보다 작은 최대값을 지니는 모든 하위 범위를 포함하도록 의도된다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같은 "하나", "한가지" 혹은 "일" 등과 같은 단수 표현은 달리 표시되지 않는 한 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 포함하도록 의도된다.

실시예

실시예 1. 글루코스, 자일로스 및 프럭토스에 대한 뷰탄올 생산

US 6,358,717에 기재된 바와 같은 P2 기반 배지는 이하의 테스트를 위하여 이용되었다. 배지는 이하의 별도로 준비된 용액(달리 표시되지 않는 한, 증류수 100㎖ 당의 그람수): 당(이하의 유형 및 양 참조), 증류수(용액 I) 790㎖, K₂HPO₄ 0.5g, KH₂PO₄ 0.5g, CH₃COONH₄(용액 II) 2.2g, MgSO₄·7H₂O 2.0g, MnSO₄·H₂O 0.1g, NaCl 0.1g, FeSO₄·7H₂O(용액 III) 0.1g 및 p-아미노벤조산 100㎎, 티아민 100㎎, 바이오틴(용액 IV) 1㎎으로 구성되었다. 용액 I과 II를 필터 멸균하고, 이어서 혼합하여 당 완충 용액을 형성하였다. 용액 III과 IV는 필터 멸균하였다. 용액 III 및 IV의 일부분(10 및 1㎖)을 각각 상기 당-완충 용액에 멸균적으로 첨가하였다. P2 배지의 최종 pH는 6.6이었다.

이용된 당의 양은, 배지 GXP2에 대해서는 글루코스 43g 및 자일로스 24g; 배지 FP2에 대해서는 프럭토스 43g; 배지 FGP2에 대해서는 프럭토스 43g 및 글루코스 43g이었다.

용액에 45분 동안 아르곤을 살포하고 나서, 혐기성 챔버 내로 옮겼다. 용액(10㎖)을 미리 고압멸균된 21, 20㎖ 혈청 바이알 내로 계량하였다. 이들 바이알을 밀봉가능한 격막으로 밀봉하고 나서, 상기 혐기성 박스에서 꺼냈다. 이들 바이알에 ATCC 제공된 펠릿으로부터 ATCC 권장 프로토콜에 따라 제조한 수성 글라이세롤 원액으로부터 1 부피% 클로스트리듐 사카로퍼뷰틸아세토니쿰(Clostridium saccharoperbutylacetonicum)(ATCC 27021)을 접종하였다. 이들 바이알을 30℃에서 48시간 혹은 96시간 동안 성장시켰다. 상부 공간 부분을 GC를 이용해서 뷰탄올 생산에 대해서 분석하였다. 그 결과(g/ℓ)는 이하의 표에 표시되어 있다.

3종의 상이한 탄소 공급원에 대한 뷰탄올 생산의 결과
샘플 ID	시점	매질	n-뷰탄올
1	48hr	GXP2	3.2
2	48hr	GXP2	2.9
3	48hr	GXP2	2.0
4	48hr	FP2	11.5
5	48hr	FP2	11.0
6	48hr	FP2	11.7
7	48hr	FGP2	3.1
8	48hr	FGP2	3.0
9	48hr	FGP2	3.5
10	96hr	GXP2	2.6
11	96hr	GXP2	2.9
12	96hr	GXP2	3.0
대조군-13	96hr	GXP2	0.0
14	96hr	FP2	11.1
15	96hr	FP2	12.0
16	96hr	FP2	11.4
대조군-17	96hr	FP2	0.0
18	96hr	FGP2	2.3
19	96hr	FGP2	2.7
20	96hr	FGP2	3.4
대조군-21	96hr	FGP2	0.0

실시예 2. 프럭토스 대 글루코스 및 자일로스에 대한 뷰탄올 생산

클로스트리듐 사카로퍼뷰틸락토니움(Clostridium saccharoperbutylacetonium) ATCC 균주 27021 또는 27022 중 하나를 이용해서 30℃에서 글루코스/자일로스 혼합물 또는 프럭토스 단독(32 g/ℓ)을 함유하는 P2 배지 10㎖를 인큐베이팅하였다. 실시예 1에서와 마찬가지로, 이하의 표에 제시된 결과는, 글루코스 혹은 자일로스와는 반대로, 클로스트리듐이 프럭토스 상에서 성장될 때 더 많은 뷰탄올이 생성되는 것을 나타낸다.

탄소 공급원으로서의 프럭토스 또는 글루코스/자일로스 상에서의 클로스트리듐 바이알 성장.
균주	기질	뷰탄올 생산(g/ℓ)	시점(hr)
ATCC 27021	프럭토스	11.7	48
ATCC 27021	글루코스/자일로스	2.3	48
ATCC 27022	프럭토스	11.6	96
ATCC 27022	글루코스/자일로스	4.0	96

본 명세서에 참조로 포함된다고 말한 임의의 특허, 공보 혹은 기타 개시 자료는, 전체적으로 혹은 부분적으로, 해당 포함된 자료가 본 발명에 기술된 기존의 정의, 진술 혹은 기타 개시 자료와 상충하지 않는 정도로만 본 명세서에 포함된다. 그와 같이 그리고 필요한 정도로, 본 명세서에 명백하게 기술된 바와 같은 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된 어떠한 상충하는 자료도 대체한다. 본 명세서에 참조로 포함된다고 기재하였지만 본 발명에 기술된 기존의 정의, 진술 혹은 기타 개시 자료와 상충하지 않는 임의의 재료 혹은 그의 일부는 상기 포함된 자료와 기존의 개시 자료 간에 상충이 일어나지 않는 정도로만 포함될 것이다.

본 발명은 그의 바람직한 실시형태를 참조하여 특별히 도시되고 기술되었지만, 당업자라면 형태 및 상세의 각종 변화가 첨부된 특허청구범위에 의해 망라되는 본 발명의 범위로부터 벗어나는 일 없이 그 안에서 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims

생성물을 생산하는 방법으로서, 상기 방법은,
바이오매스를 당화시키고 상기 당화된 바이오매스를 이성질체화제(isomerization agent)와 접촉시킴으로써 프럭토스를 생산하는 단계, 및
상기 프럭토스를 미생물 및/또는 효소를 이용해서 생성물로 전환시키는 단계를 포함하는, 생성물의 생산방법.
제1항에 있어서, 상기 바이오매스는 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 재료를 포함하는 것인, 생성물의 생산방법.
제1항에 있어서, 상기 이성질체화제는 아이소메라제(isomerase)인 것인, 생성물의 생산방법.
제3항에 있어서, 상기 아이소메라제는 자일로스 아이소메라제인 것인, 생성물의 생산방법.
제2항에 있어서, 상기 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 바이오매스는 당화에 대한 해당 바이오매스의 난분해성(recalcitrance)을 저감시키기 위하여 처리되는 것인, 생성물의 생산방법.
제5항에 있어서, 상기 처리 방법은 전자 충격(bombardment with electrons), 초음파처리, 산화, 열분해, 증기 폭발(steam explosion), 화학적 처리, 기계적 처리, 동결 분쇄 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것인, 생성물의 생산방법.
제6항에 있어서, 상기 처리 방법은 전자 충격인 것인, 생성물의 생산방법.
제2항에 있어서, 상기 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 바이오매스는 종이, 종이제품, 폐지, 제지용 펄프, 색소지, 적재지(loaded paper), 코팅지, 충전 종이, 잡지, 인쇄물, 프린터 용지, 다중코팅지, 명함 용지, 카드보드, 보드지, 목면, 목재, 파티클 보드, 산림 폐기물, 톱밥, 포플러 나무, 목재 칩, 목초, 지팽이풀, 억새, 코드 그래스(cord grass), 흰줄갈풀(reed canary grass), 곡물 잔류물, 왕겨, 귀리 껍질, 밀겨(wheat chaff), 보리 겨(barley hull), 농산물 폐기물, 사일리지, 카놀라짚, 밀짚, 보리짚, 귀리짚, 볏짚, 황마, 대마, 아마, 대나무, 사이잘, 마닐라삼, 옥수수 속대, 옥수수 대, 대두 여물, 옥수수 섬유, 알팔파, 건초, 코코넛 헤어, 당 가공처리 잔류물, 버개스, 사탕무우, 용설란 버개스, 조류(algae), 해초, 거름, 하수, 아라카차, 메밀, 바나나, 보리, 카사바, 칡, 안데스괭이밥, 사고, 수수, 감자, 고구마, 타로, 얌, 콩, 잠두, 렌즈콩, 완두, 공업용 폐기물, 및 이들의 임의의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것인, 생성물의 생산방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미생물은 클로스트리듐 종(Clostridium spp.)의 균주를 포함하는 것인, 생성물의 생산방법.
제9항에 있어서, 상기 미생물은 클로스트리듐 사카로퍼뷰틸아세토니쿰(C. saccharoperbutylacetonicum)인 것인, 생성물의 생산방법.
제10항에 있어서, 상기 미생물은 클로스트리듐 사카로퍼뷰틸아세토니쿰(C. saccharoperbutylacetonicum) 균주 ATCC 27021인 것인, 생성물의 생산방법.
제10항에 있어서, 상기 미생물은 클로스트리듐 사카로퍼뷰틸아세토니쿰(C. saccharoperbutylacetonicum) 균주 ATCC 27022인 것인, 생성물의 생산방법.
제1항에 있어서, 상기 생성물은 용매를 포함하는 것인, 생성물의 생산방법.
제13항에 있어서, 상기 용매는 알코올을 포함하는 것인, 생성물의 생산방법.
제9항에 있어서, 상기 알코올은 아이소뷰탄올 또는 n-뷰탄올을 포함하는 것인, 생성물의 생산방법.